Российские физики представили первый симулятор квантовых состояний на сверхпроводниках
Научный коллектив МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН предложил уникальную архитектуру сверхпроводникового квантового симулятора на основе поляризационных трансмонов. Разработка предназначена для изучения топологических и многочастичных квантовых явлений и состояний. Результаты опубликованы в международном журнале Advanced Quantum Technologies.
Представьте, что вам нужно предсказать поведение миллиарда частиц, каждая из которых одновременно находится в нескольких состояниях и «чувствует» своих соседей на квантовом уровне. Ни один классический суперкомпьютер с такой задачей не справится – на расчёты уйдут тысячи лет. Именно здесь на сцену выходят квантовые симуляторы: устройства, которые не считают, а буквально воссоздают квантовую реальность в миниатюре.
Учёные Московского физико-технического института совместно со специалистами Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН представили архитектуру принципиально нового сверхпроводникового квантового симулятора. Эта разработка – инженерный фундамент для экспериментальных установок следующего поколения, способных моделировать сложнейшие квантовые системы.
Что придумали и почему это сложно
В основе разработки лежат так называемые поляризационные трансмоны. Трансмон – это искусственный атом, собранный из сверхпроводящих элементов и джозефсоновских переходов (сверхтонких барьеров, через которые электроны «просачиваются» благодаря квантовым эффектам). Такой «атом» ведёт себя как настоящий: у него есть дискретные энергетические уровни, он может поглощать и излучать кванты энергии. Но в отличие от природного атома его параметры – частоту, силу взаимодействия с соседями можно настроить заранее, как ручку на радиоприёмнике.
Главная находка авторов – идея выстроить такие трансмоны в зигзагообразную цепочку. Геометрия неслучайна: она позволяет воспроизводить так называемые топологические модели, хорошо известные в физике твёрдого тела. Топологические состояния материи – это экзотические формы организации вещества, которые невозможно наблюдать в обычных материалах и крайне трудно рассчитать на классическом компьютере. А вот в управляемой цепочке трансмонов их можно создать «по заказу» и детально изучить.
Зачем это нужно?
Топологические состояния позволяют создавать устойчивые к ошибкам кубиты, то есть строительные блоки будущих квантовых компьютеров. Кроме того, квантовые симуляторы открывают путь к моделированию сложных молекул и химических реакций, проектированию новых материалов с заданными свойствами и оптимизации процессов, которые сегодня не поддаются точному расчёту: от разработки лекарств до финансового моделирования.
Для России эта работа имеет стратегическое значение. Квантовые технологии – арена глобальной конкуренции, США, Китай и Европа вкладывают миллиарды долларов в исследования. Создание собственной компонентной базы – от кубитов до программного обеспечения – снижает технологическую зависимость и формирует основу для будущих экспортных решений в сфере специализированного оборудования и образовательных платформ.
Путь длиною в пять лет
Новый симулятор – закономерный этап большого пути. В 2021 году российские учёные уже моделировали передачу фотонов на сверхпроводниковом симуляторе, доказав его превосходство над классическими кластерами в отдельных задачах. В 2022 году МФТИ и МИСИС представили первый российский четырёхкубитный процессор с точностью операций выше 97 %. В 2023 году был открыт облачный доступ к квантовым вычислениям. В 2025 году МФТИ сообщил о создании 40-кубитного процессора. Теперь, в 2026 году, фокус сместился от универсальных вычислений к специализированному моделированию сложных квантовых явлений.
Именно такие фундаментальные разработки, как симулятор на поляризационных трансмонах, закладывают рельсы, по которым квантовые технологии когда-нибудь войдут в повседневную жизнь – через новые материалы, лекарства и вычислительные сервисы, которые мы пока даже не можем себе представить.
