Современные квантовые вычислители и алгоритмы в подавляющем большинстве случаев опираются на одно- и двухкубитные вентили. Чтобы реализовать операцию над тремя кубитами, инженерам приходится последовательно выполнять восемь двухкубитных операций, что усложняет структуру алгоритмов и многократно увеличивает накопление ошибок. Российские исследователи из Университета МИСИС, Российского квантового центра, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и МФТИ сообщили о выполнении сложной операции сразу над тремя кубитами с рекордной для такого класса устройств точностью. При этом важно уточнение: речь идёт не о создании полноценного сверхпроводникового квантового процессора, а о возможности выполнить сложную трёхкубитную операцию за один шаг.

Три флаксониума и общий управляющий трансмон

В основе устройства лежат три сверхпроводниковых кубита-флаксониума, соединённых через общий управляющий элемент — трансмон. Именно он позволяет воздействовать на определённую комбинацию состояний всех трёх кубитов одновременно, выполняя так называемую операцию CCZ (Controlled-Controlled-Z). Эта операция изменяет фазу одного из восьми возможных сочетаний состояний кубитов. Подобные вентили широко используются в квантовых алгоритмах, в системах коррекции ошибок, необходимых для повышения надёжности вычислений, а также в задачах факторизации больших чисел, что потенциально затрагивает криптографию и защиту данных.

Один импульс вместо цепочки вентилей

«Мы экспериментально реализовали трёхкубитный гейт CCZ напрямую, а не каскадом одно- и двухкубитных операций. При этом управление остаётся таким же простым, как и для стандартных двухкубитных вентилей: достаточно одного микроволнового импульса длительностью 65 нс, который калибруется с помощью традиционных методов — осцилляций Раби и Рамзи, позволяющих отслеживать изменения состояния кубитов под воздействием микроволнового сигнала», — рассказал научный сотрудник лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС и группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Григорий Мажорин. Такой подход упрощает калибровку и снижает число точек, в которых может возникнуть ошибка.

Точность 99,39% на более простом оборудовании

Ключевое преимущество разработки — в соотношении точности и сложности оборудования. При традиционном подходе для достижения сопоставимой точности итоговой операции отдельные двухкубитные вентили должны работать с точностью около 99,94% каждый, что сегодня доступно лишь на ограниченном числе самых современных и сложных квантовых вычислителей. Российская же реализация позволяет выполнить ту же операцию с точностью 99,39% за один шаг на более простом и менее требовательном оборудовании, что снижает порог входа в работу с трёхкубитными гейтами.

Перспективы масштабирования

По оценке самих разработчиков, созданная архитектура может стать основой для масштабирования сверхпроводниковых квантовых процессоров. Учёные отмечают, что созданный модуль можно интегрировать в двумерную схему, сохранив механизмы подавления нежелательных взаимодействий между её элементами. Это открывает путь к построению более крупных квантовых схем без пропорционального роста сложности управления и ошибок, что является одним из главных барьеров на пути к практическим квантовым машинам.