Есть ли в россии квантовый компьютер
Обновлено: 04.07.2024
«Национальная квантовая лаборатория» сообщила о создании симулятора квантового компьютера: ученые смогли собрать платформу из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Отставание российских разработок в области квантовых компьютеров от передовых стран составляет 7–10 лет, утверждают эксперты
Консорциум «Национальная квантовая лаборатория» (создан под эгидой «Росатома» при участии ВШЭ, МИСиСа, МФТИ и других организаций) планирует создать полноценный квантовый процессор на ионах к декабрю 2024 г. – этот срок указан в целевых показателях дорожной карты «Квантовые вычисления» с бюджетом в 24 млрд руб.
На начальном этапе задача ученых заключалась в том, чтобы поймать, стабилизировать и удерживать в электромагнитном поле некоторое количество ионов. Для этого использовалась ионная ловушка – набор из нескольких заряженных электродов (от 4 до 6), которые и создают магнитное поле. Об этом «Ведомостям» рассказали представители «Росатома» и Российского квантового центра, принявшие участие в разработке.
Следующий этап – научиться проводить на этих ионах прикладные вычисления. Собранная российскими учеными система пока не позволяет этого делать, но в то же время она дает возможность моделировать и тестировать алгоритмы, на которых впоследствии можно будет запустить работу квантового компьютера.
Ионы – одна из физических основ для работы квантового компьютера. Это не единственное направление их создания: ученые экспериментируют также с нейтральными атомами, фотонами и сверхпроводниками – платформы на этих основах имеют различные физические свойства и вычислительные возможности. В обычном компьютере эту роль выполняет кремний.
Дорожная карта «Квантовые вычисления» предусматривает создание к 2024 г. отечественных квантовых процессоров на сверхпроводниках, атомах и фотонах. Уже к декабрю 2022 г. должен быть разработан полный стек программного обеспечения и создан сервис по предоставлению доступа к облачной платформе для квантовых вычислений.
«Ионные платформы считаются одним из наиболее перспективных направлений в квантовых вычислениях, – объясняет ведущий научный сотрудник «Сколтеха» Игорь Захаров. – Однако по факту от создания полноценного квантового компьютера нас отделяет еще лет 10. А то, что есть сейчас, – это симулятор системы, устройство, позволяющее моделировать работу будущего компьютера».
Наибольшие достижения в этой сфере – у американских компаний IonQ и Honeywell, объясняет старший научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров: «В IonQ научились выполнять вычисления максимум на 30 связанных ионах, а оптимизировали для работы только платформу из 22 ионов. Сегодня физики еще не понимают, какой из квантовых процессоров окажется наиболее эффективным, поэтому работают сразу с несколькими платформами. Сейчас от мировых лидеров Россия по своим достижениям отстает на 7–10 лет, но за время реализации дорожной карты его можно будет сократить до 2–3 лет».
С этой оценкой согласен профессор МИСиСа Александр Печень: «Работа по созданию отечественного квантового компьютера только началась, однако планы «Росатома» очень амбициозны. При выполнении ежегодных заявленных показателей в ближайшие годы отставание от лидеров получится сократить».
Илья Родионов, возглавляющий научно-образовательный центр «Функциональные микро/наносистемы» при МГТУ им. Н. Э. Баумана, настроен не столь оптимистично: «Отставание российских разработок в этой области составляет более 10 лет. Это можно проследить на примере сверхпроводниковой платформы – первые алгоритмы на пятикубитных процессорах были представлены мировыми лидерами в 2010–2012 гг., а в нашей дорожной карте решение этой задачи запланировано на 2021–2022 гг.».
Если в традиционных компьютерах минимальной единицей вычисления является бит, то в квантовых – кубит. В отличие от битов в классических компьютерах, способных принимать только значения 0 и 1, кубит на ионе (или на любой из перечисленных основ) может занимать суперпозицию и быть сразу и 0, и 1. Это позволяет многократно ускорить вычисления: например, осенью 2019 г. Google объявил о том, что достиг «квантового превосходства», решив на своем квантовом компьютере за 200 секунд задачу, на решение которой «самому современному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет». В компьютере Google в 2018 г. было 72 кубита.
«Количество кубитов определяет предельную сложность выполняемой операции: чтобы выполнять сложные алгоритмы, например разложение чисел на простые множители или моделирование молекул, нужны системы с большим количеством кубитов, – объясняет Федоров. – При этом выполнение таких операций с высокой точностью в многокубитной системе – сложная задача, так как при увеличении количества кубитов они начинают «мешать» друг другу и качество операций падает». По этой причине квантовые компьютеры существуют преимущественно в лабораториях – их промышленному применению и серийному производству мешает недостаточная мощность и стабильность работы этих машин. Квантовый компьютер с десятками (а в перспективе сотнями и тысячами) связанных, стабильно работающих кубитов пока демонстрирует свои возможности эпизодически. По мнению большинства ученых, от широкого внедрения квантовых компьютеров нас отделяют десятилетия.
«Россия сильно отстала в создании аппаратной части и даже после реализации всех мероприятий дорожной карты в полном объеме к 2024 г. российский квантовый компьютер будет менее мощным, чем те, что есть сейчас, например, у Google, – утверждает Захаров. – Дело в том, что инвестиции мировых лидеров в квантовые разработки несопоставимы с российскими». Например, китайское правительство в 2017 г. инвестировало $10 млрд в создание квантовой лаборатории в Хэфэе, а смета исследований в области квантовых вычислений одной компании IBM еще в 2014 г. достигла $3 млрд.
Однако в сфере разработки программного обеспечения для квантовых компьютеров Россия практически не отстает от лидеров, отмечает Захаров: «Этого будет достаточно, чтобы продемонстрировать «квантовое превосходство» уже в ближайшие 3–5 лет».
В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, — это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит — это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.
Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, — полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. — Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».
Пионер отрасли, канадская D-Wave, в 2020 году начала предлагать работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако. Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.
Google после презентации Sycamore заявила, что потратит несколько миллиардов долларов на создание к 2029 году коммерческого квантового компьютера. Компания планирует предлагать свои услуги через облако. Google хочет создать машину на миллион кубитов, а ее текущие системы включают менее 100 кубитов.
Компактные решения
В январе 2019 года IBM объявила о выпуске Quantrum System One, первой в мире модели квантового компьютера для бизнеса. Устройство помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.
Осенью 2020 года IBM представила дорожную карту развития своих квантовых компьютеров. Компания собирается в 2023 году создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором. Долгосрочная цель — построить квантовую систему на миллион кубитов. Компания считает, что появление систем с 1000 кубитами снимет ограничения для коммерческого использования квантовых систем.
В 2021 году IBM запустила первый Q System One за пределами США, в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.
Контролируемые кубиты
Intel в январе 2018 года объявила о поставке тестового квантового процессора с 49 кубитами под названием Tangle Lake. Но более интересна работа другого подразделения компании, которое пытается разработать кубиты из традиционного кремния. Толщина таких кубитов составляет всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это открывает возможности для производства крошечных квантовых процессоров с миллионами кубитов, которые можно охлаждать почти до абсолютного нуля. Кстати, компания работает и над этим. Инженеры Intel совместно с компанией QuTech разрабатывают систему контроля «горячих» кубитов с температурой чуть больше –272,15ºC. Кроме того, Intel в 2019 году показала контроллер кубитов Horse Ridge, который может работать даже при очень низких температурах и выдерживает охлаждение до −269 ºC. Horse Ridge в будущем поможет масштабировать многокубитовые квантовые системы.
Дешевые системы
В 2020 году специалист по квантовой физике Алессандро Бруно и выпускник технологического университета TU Delft Маттейс Райлаарсдам основали компанию QuantWare. Она занялась выпуском общедоступных 5-кубитных чипов. Они могут работать с современными электронными устройствами, но лишь в условиях сверхнизких температур.А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology в 2021 году представил квантовый компьютер стоимостью всего около $ 5 тысяч. По размеру он почти такой же, как системный блок обычного ПК.
Система разработана для школ и колледжей и умеет оперировать только двумя кубитами. Поставки первых SpinQ уже идут в Тайвань, Гонконг и Осло. Разработчики надеются, что системы позволят ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей.
Амбициозные стартапы
Инвесторы верят в будущее квантовых систем. Летом 2021 года калифорнийский стартап PsiQuantum смог привлечь $ 450 млн на создание квантового компьютера с миллионом кубитов, даже не имея рабочего прототипа. Эта сумма больше, чем все инвестиции в область квантовых вычислений в 2019 году в США. PsiQuantum планирует разработать и наладить производство квантовых компьютеров на базе фотонов. А другой стартап под названием Rigetti уже собрал 19-кубитный сверхпроводниковый процессор, который доступен онлайн через свою среду разработки под названием Forest.
Российские разработки
Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», рассказал, что в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на основе сверхпроводящих кубитов. А в 2018 году начался пилотный проект по развитию двух других платформ квантовых вычислений: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.
Специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.
Они планируют создать действующий образец квантового процессора на сверхпроводниках к концу 2024 года.
Пятикубитный прототип процессора продемонстрировали также в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.
В июне 2021 года Российский квантовый центр, НИТУ «МИСиС», Университет ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатом и Институт Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов.
Кроме того, ученые из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали миниатюрные источники оптических гребенок. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах.
Российские ученые работают и над специализированным облачным софтом. В апреле 2021 года Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений, которая позволяет решать прикладные бизнес-задачи на квантовых процессорах без специальных знаний в квантовой механике. Свою собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.
«На сегодняшний день основным заказчиком квантовых технологий в России является государство — во многом это объясняется стратегической важностью квантов. Тем не менее, квантовые вычисления будут полезны бизнесу, обрабатывающему большое количество данных и решающему сложные расчетные задачи. Например, в области финансов и инвестиций, энергетики, транспорта, логистики, химии и фармацевтики», — подчеркивает Юнусов.
«Росатом» объявил о разработке собственного квантового компьютера. Госкорпорация планирует до 2024 года потратить на проект более 20 миллиардов рублей. «Компьютер должен обеспечить конкурентоспособность страны во многих технологических сферах», - объясняют свою сверхзадачу в «Росатоме».
Что такое квантовый компьютер и с кем придется конкурировать России при его разработке?
То ли ноль, то ли единица
Для начала минутка гордости. Квантовые вычисления еще в 1980 году предсказал советский математик Юрий Манин. С 1993 года Юрий Иванович живет в Германии, но лично квантовыми компьютерами не занимается. Ему ближе алгебра с геометрией, Манин - заслуженный профессор Математического института Макса Планка.
Квантовые компьютеры - крайне дорогие «игрушки» для ученых. А практические сложные вычисления производятся на транзисторных суперкомпьютерах. Основные их пользователи - госорганы, университеты, научные институты, IT-компании и банки. Крупнейший суперкомпьютер - американский Summit. Его разработали и построили в 2018 году компании IBM, Nvidia и Mellanox по заказу министерства энергетики США. Устройство состоит из 4608 серверов, которые занимают 500 квадратных метров. То есть по сути это множество мощных, но при этом вполне традиционных компьютеров, объединенных в сеть, способных обрабатывать колоссальные массивы информации и совершать очень сложные расчеты.
В традиционном компьютере единица информации - один бит. Он может принимать два значения: «0» и «1». Транзистор включается и пропускает электричество - у нас «1». Транзистор выключается - у нас «0». В компьютере миллиарды транзисторов (да-да, они крошечные), переключаются они очень быстро, почти со скоростью света. Транзисторы между собой соединены и образуют систему, которая позволяет совершать математические вычисления. Система понимает только «0» и «1», «выключено» и «включено». Никаких промежуточных значений быть не может. И вот в этом главное отличие транзисторного компьютера от квантового.
Вместо битов в квантовом компьютере кубиты. Они принимают уже три значения: «0», «1» и промежуточное, которое называется «суперпозиция». Кубиты постоянно меняют свое значение. В это сложно поверить, но фактически кубиты находятся в трех своих значениях одновременно. Квантовый компьютер мгновенно получает ответ, как только введены все исходные данные! Но есть одно но - вероятность того, что решение верно, не равна единице. Получается значение, очень близкое к правильному ответу, - все из-за непостоянства кубитов. Но вероятность получения правильного ответа можно максимально приблизить к единице - с помощью алгоритмов.
Мы в Матрице?
Ведущие техногиганты - Google, IBM, Intel, Microsoft - не хотят пропустить «квантовую компьютерную революцию», поэтому вкладываются в разработки. По мнению экспертов, квантовые мощности способны уже в недалеком будущем изменить здравоохранение, коммуникации, прогнозирование погоды и климата, градостроительство, астрономию, химические технологии. С помощью квантовых компьютеров можно разрабатывать новые лекарства, прогнозировать свойства веществ и миграцию, моделировать развитие городов. Серьезный вызов предстоит специалистам в области кибербезопасности и шифрования данных. Вычислительные возможности квантового компьютера теоретически позволяют взламывать самые сложные алгоритмы шифрования. Похоже, придется разрабатывать новые - это уже работа для квантовых программистов.
Профессор Массачусетского технологического института Сет Ллойд в своей книге «Программируя Вселенную» выдвинул головокружительную теорию: Вселенная и есть один большой квантовый компьютер, который постоянно производит нас и все, что нас окружает. Так это или нет, мы, может быть, узнаем лет через десять - тогда квантовые компьютеры достигнут таких мощностей, что смогут смоделировать возникновение и развитие Вселенной. Тогда мы точно будем знать, в Матрице мы живем или нет.
Велосипед без руля
Кубиты очень сложно контролировать, в процессоре их число невелико. Например, в квантовом компьютере Sycamore (англ. «Платан»), принадлежащем Google, 54 кубита. Для работы процессора приходится поддерживать минимальную температуру - в лаборатории используется жидкий азот, который позволяет охладить устройство до минус 273 градусов Цельсия. При этом чип с кубитами должен быть надежно защищен от всех видов излучений. В противном случае процессор будет работать некорректно.
Ученые постоянно сталкиваются с критикой: якобы квантовые компьютеры - это такой велосипед без руля, на котором можно ехать только прямо, практическое применение таких разработок в реальном мире туманно. Но менеджер Лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Хартмут Невен на это парирует: «Спутник тоже немногое умел. Он просто летел вокруг Земли. Но это был старт космической эры».
Возрастная категория сайта 18 +
Читайте также: