В основе квантовых технологий лежит квантовая механика, описывающая природу на уровне элементарных частиц. Квантовые системы уже применяются в криптографии для обеспечения безопасности данных, в управлении потоками транспорта мировых столиц, для обучения искусственного интеллекта. Огромна перспектива их использования в медицине: от разработки новых лекарств и вакцин до расшифровки генома.
– Квантовые системы смогут коренным образом изменить способы и скорость передачи и обработки больших массивов информации. Для примера: существует известная задача расстановки – есть разные варианты расположения восьми гостей за столом и один из них оптимальный. Классический компьютер будет обрабатывать все возможные перестановки последовательно, и на это уйдут миллионы лет. А квантовый компьютер сделает это за один шаг, – рассказала Мария Макарова, младший научный сотрудник Института прикладных математических исследований (ИПМИ) КарНЦ РАН.
Младший научный сотрудник Института прикладных математических исследований КарНЦ РАН Мария Макарова. Фото из личного архива
Однако эра квантовых компьютеров пока не наступила. Физики, математики и информатики из разных стран работают над тем, как сделать их работу эффективнее.
Базовая единица информации в квантовых вычислениях называется кубитом. Это аналог бита, которым оперируют классические вычисления, заставляя работать программы в наших гаджетах. Но есть главное отличие, которое обеспечивает огромную разницу в эффективности работы классической и квантовой систем. Если бит может принимать только одно из двух значений - 0 или 1 (отсюда знакомая многим из школьной программы двоичная система счисления), то кубит одновременно находится в суперпозиции всех возможных состояний: и 0, и 1, и множества их вариаций. Благодаря этому за один шаг система выполняет в тысячи раз больше операций, чем традиционное ПО.
Количество кубитов в хранилище квантового компьютера ограничено. Самый мощный в России разработан в Физическом институте им. Лебедева РАН и содержит 50 кубитов. Физически эти частицы пока довольно нестабильны, например, они очень чувствительны к окружающей среде. Изменения температуры и других факторов могут привести к потере квантовых свойств и к ухудшению точности и стабильности вычислений. И в целом сложность системы и ее единиц неизбежно приводит к ошибкам.
Команды выполнить ту или иную операцию подаются на кубиты с помощью микроустройств – вентилей. Кубиты и вентили объединяются в квантовые цепи, которые в итоге и выполняют необходимую задачу.
Изображение сайта pixabay.com
– Помимо прочих ограничений, в квантовых системах очень специфическая архитектура, то есть возможны не любые комбинации расположения кубитов. Зачастую используется «архитектура ближайшего соседа» – мы можем проводить операции только над соседними кубитами, которые находятся близко друг к другу. Если нам требуются отдаленные друг от друга кубиты, используются операции обмена, которые переставляют частицы. Но чем больше операций обмена используется, тем больше вероятность ошибки. Поэтому мы стремимся минимизировать их количество и оптимизируем квантовую цепь по числу операций обмена, – пояснила Мария Макарова.
Для этого ученые используют подход переупорядочения кубитов. Несмотря на то, что речь идет о квантовых компьютерах, обычно для этого процесса используется классическое, полупроводниковое, оборудование и программное обеспечение. В рамках нового способа авторы статьи предлагают использовать не классическое, но квантовое оборудование, в частности, устройство квантового отжига. Эволюция системы при реализации квантового отжига описывается уравнением, решение которого помогает найти оптимальное соседство кубитов с минимальной их перестановкой. Свое название метод получил по аналогии с металлургией, где отжигом называют вид термообработки, когда сплав нагревают до определённой температуры, а затем дают медленно остыть. В результате остывания металла расположение частиц переходит в устойчивое состояние с минимальной энергией.
– Считается, что всякая физическая система стремится к состоянию с наименьшей энергией. При квантовом отжиге система также подвергается медленным изменениям, но в результате остается в своем основном состоянии. И мы подбираем такую конфигурацию, в которой для этого потребуется меньше энергии, – отметила ученый.
Подход переупорядочения кубитов и метод квантового отжига – давно известны и широко используются в квантовых вычислениях. Новизна исследования математиков из ИПМИ КарНЦ РАН – в применении их в связке для оптимизации квантовой цепи, а значит для минимизации ошибок и повышения эффективности вычисления.
Ученые апробировали новый способ на облачном квантовом компьютере D-Wave (Канада). Результаты показали: оптимизация, действительно, привела к меньшему количеству операций обмена и высокому уровню успешности их выполнения.
– Численные эксперименты показали, что результаты такой оптимизации сравнимы с классическим программным обеспечением, а в некоторых случаях дают результат лучше. Таким образом, мы показали потенциал машин на основе квантового отжига для оптимизации квантовых цепей, что делает нашу работу методологически новой, – резюмировала Мария Макарова.
Научная статья по теме оптимизации квантовой цепи опубликована в журнале Lobachevskii Journal of Mathematics
Выпускница Петрозаводского государственного университета, в 2025 году она получила дипломы сразу двух стран о послевузовском образовании: заочно она окончила аспирантуру Университета Тренто (Италия), где успешно защитила в апреле кандидатскую диссертацию, и очно – Карельского научного центра РАН. Для Карелии ее специализация уникальна.
– Я занялась темой квантовых вычислений уже после окончания университета, поступив в Университет Тренто, под руководством профессора кафедры информационной инженерии и компьютерных наук Энрико Бланзиери. Это относительно новая тематика, в том числе в мировой науке, что меня очень привлекло. Приходилось осваивать тему с азов. Сейчас мы работаем на стыке математики и информатики – над оптимизацией квантовых цепей, сложноконструируемых, но универсальных моделей, которые позволяют выполнить любое вычисление, – рассказала Мария Макарова.
С научной статьей «Оптимизация квантовой цепи посредством разбиения графа методом квантового отжига» Мария Макарова стала победителем конкурса среди молодых ученых КарНЦ РАН в номинации «Физико-математические и технические науки».
