Сучасні квантові обчислювачі та алгоритми переважно спираються на одно- та двокубітні вентилі. Щоб реалізувати операцію над трьома кубітами, інженерам доводиться послідовно виконувати вісім двокубітних операцій, що ускладнює структуру алгоритмів і багаторазово збільшує накопичення помилок. Російські дослідники з Університету МІСІС, Російського квантового центру, Інституту нанотехнологій мікроелектроніки РАН та МФТІ повідомили про виконання складної операції одразу над трьома кубітами з рекордною для такого класу пристроїв точністю. При цьому важливе уточнення: йдеться не про створення повноцінного надпровідникового квантового процесора, а про можливість виконати складну трикубітну операцію за один крок.

Три флаксоніуми та загальний керуючий трансмон

В основі пристрою лежать три надпровідникові кубіти-флаксоніуми, з'єднані через загальний керуючий елемент — трансмон. Саме він дозволяє впливати на певну комбінацію станів усіх трьох кубітів одночасно, виконуючи так звану операцію CCZ (Controlled-Controlled-Z). Ця операція змінює фазу одного з восьми можливих поєднань станів кубітів. Подібні вентилі широко використовуються в квантових алгоритмах, у системах корекції помилок, необхідних для підвищення надійності обчислень, а також у завданнях факторизації великих чисел, що потенційно зачіпає криптографію та захист даних.

Один імпульс замість ланцюжка вентилів

«Ми експериментально реалізували трикубітний гейт CCZ напряму, а не каскадом одно- і двокубітних операцій. При цьому керування залишається таким же простим, як і для стандартних двокубітних вентилів: достатньо одного мікрохвильового імпульсу тривалістю 65 нс, який калібрується за допомогою традиційних методів — осциляцій Рабі та Рамзі, що дозволяють відстежувати зміни стану кубітів під впливом мікрохвильового сигналу», — розповів науковий співробітник лабораторії надпровідникових квантових технологій НІТУ МІСІС і групи «Надпровідникові кубіти та квантові схеми» РКЦ Григорій Мажорін. Такий підхід спрощує калібрування та знижує кількість точок, у яких може виникнути помилка.

Точність 99,39% на простішому обладнанні

Ключова перевага розробки — у співвідношенні точності та складності обладнання. За традиційного підходу для досягнення порівнянної точності підсумкової операції окремі двокубітні вентилі мають працювати з точністю близько 99,94% кожен, що сьогодні доступно лише на обмеженій кількості найсучасніших і найскладніших квантових обчислювачів. Російська ж реалізація дозволяє виконати ту саму операцію з точністю 99,39% за один крок на простішому та менш вибагливому обладнанні, що знижує поріг входу в роботу з трикубітними гейтами.

Перспективи масштабування

За оцінкою самих розробників, створена архітектура може стати основою для масштабування надпровідникових квантових процесорів. Вчені зазначають, що створений модуль можна інтегрувати у двовимірну схему, зберігши механізми придушення небажаних взаємодій між її елементами. Це відкриває шлях до побудови більших квантових схем без пропорційного зростання складності керування та помилок, що є одним із головних бар'єрів на шляху до практичних квантових машин.