Одобрено создание российских 50-кубитных квантовых компьютеров

Интеграция ИТ в госсекторе
мобильная версия
, Текст: Владимир Бахур
В период до 2021 г. в России будут созданы прототипы 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем отечественной разработки.

Российский квантовый компьютер получил зеленый свет

Научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект «Оптические системы квантовых вычислений». В период с 2018 по 2021 год в рамках этого проекта запланирована разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.

Поручение о выполнении проекта «Оптические системы квантовых вычислений» передано кооперации российских организаций и ведомств под руководством Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Участие в проекте примут также Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н.Л. Духова и Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана.

Российский консорциум для создания многокубитного квантового компьютера был сформирован в середине февраля 2018 г. В ходе Российского инвестиционного форума Внешэкономбанк, «ВЭБ Инновации», Фонд перспективных исследований, МГУ имени М.В.Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» подписали соглашение о реализации комплексного научно-технического проекта по созданию в России многокубитного (не менее пятидесяти кубитов) оптического квантового симулятора на основе фотонных чипов и нейтральных атомов.

Особенности российских кубитов

Проект технического задания на создание отечественного 50-кубитного квантового компьютера впервые был представлен в начале апреля 2018 г. в клубе сквозных технологий АНО «Цифровая экономика» при участии потенциальных участников реализации проекта: ГК «Росатом», Сколтеха, «ВЭБ Инновации», АНО «Цифровая экономика», ФПИ, МГУ и других ведущих технических вузов и научных институтов страны.

Проект технического задания, в частности, определил основные требования к разработке оптического квантового симулятора на базе двух основных технологий реализации квантовых логических элементов: на основе фотонных чипов и нейтральных атомов.

Согласно техническому заданию проекта, также предполагается параллельная разработка алгоритмов для решения прикладных задач на квантовых компьютерах, в том числе, в области прогнозирования погоды и криптозащиты. Российская машина, в частности, также будет решать проблемы материаловедения, где требуется точное численное ресурсоемкое решение квантово-механической задачи многих тел.

Как заявлял ранее генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ), кандидат физико-математических наук Руслан Юнусов, создание в России квантового компьютера, который не уступит зарубежным аналогам, потребует инвестиций в размере более $100 млн.

По его словам, в настоящее время четыре американские компании - IBM, Microsoft, Intel и Google, ведут независимые работы над созданием квантовых компьютеров, при этом каждая компания вкладывает порядка $100 млн. Китайский интернет-гигант Alibaba выделяет на создание квантового компьютера $150 млн.

Квантовые вычисления в рамках программы «Цифровая экономика»

Работа над созданием 50-кубитных прототипов квантовых компьютеров является частью комплексного научно-технического проекта в области технологий квантовой обработки информации, соглашение о реализации которого принято в феврале 2018 г. Фондом перспективных исследований, «Внешэкономбанком», «ВЭБ-Инновациям», АНО «Цифровая экономика» и МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках реализации Дорожной карты развития в Российской Федерации технологий квантовой обработки информации.

Российский усилитель сигнала для квантового компьютера

В частности, план мероприятий программы «Цифровая экономика» по разделу «Формирование исследовательских компетенций и технологических заделов» содержит подраздел о развитии квантовых вычислений. Мероприятия, которые в будущем позволят создать в России полноценный квантовый компьютер, включают разработку квантовых вычислительных устройств и симуляторов на основе сверхпроводниковых кубитов (единица информации в квантовых компьютерах, квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах и демонстратора программируемого квантового вычислительного устройства на нескольких сверхпроводниковых кубитах.

Затем будет определена дальнейшая стратегия и тактика развития в России квантовых вычислений на основе сверхпроводниковых кубитов.

«При дальнейшем масштабировании в сторону квантового компьютера из нескольких десятков сверхпроводниковых кубитов устройства данного типа будут способны решать задачи, недоступные для решения на классических суперкомпьютерах, — говорится в документе. — К ним относятся, например, моделирование динами материалов. Дальнейшее масштабирование приведет к построению полноценного квантового компьютера». Кроме того, в документе говорится о разработке устройств квантовой криптографии и квантовых коммуникаций. Это позволит создать задел для квантозащищенной сети связи, не поддающейся дешифрации и взлому, — для силовых ведомств, банковского и корпоративного сектора.

В рамках программы будет разработана сеть, соединяющая магистральными волоконными линиями связи с квантовым распределением ключей пилотные объекты (ЦОДы, банки, отраслевые предприятия). Для достижения результата будут разработаны магистральный шифратор с квантовым каналом обновления ключей и прототип квантового ретранслятора (повторителя).

Технологии квантовых вычислений в России

Преимущества квантовых компьютеров основаны на том, что в них для представления данных используются не классические двоичные ячейки памяти, содержащие один бит информации, а так называемые «кубиты» (qubit, quantum bit), представляющие собой квантовые объекты, состояние которых подчиняется принципу квантовой суперпозиции и содержащие, таким образом, значительно большее количество информации.

Считается, что квантовый компьютер с регистром из 50 полносвязных кубитов сможет продемонстрировать превосходство над классическими вычислительными системами. Решение практически значимых задач требует реализации регистра из 500-2000 полносвязных кубитов, при этом точность операций с кубитами должна превосходить 99,999%.

В настоящее время мировым научным сообществом рассматриваются различные физические способы реализации кубитов: на основе сверхпроводниковых элементов, фотонов, ионов и нейтральных атомов в магнитооптических ловушках, примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических структурах. Каждый из исследуемых способов обладает определёнными преимуществами при улучшении тех или иных характеристик квантового компьютера.

В целом, квантовые технологии рассматриваются как одно из ключевых технологических направлений, способных в будущем существенно влиять на научно-технический, экономический и оборонный потенциал Российской Федерации.

В частности, методы квантовых вычислений потенциально обеспечивают радикальное ускорение решения ряда практических задач при моделировании свойств веществ, разработке материалов с заданными свойствами, расчете кинетики химических реакций, разработке новых лекарственных препаратов, оптимизации машинного обучения, поиске в неструктурированных базах данных, криптографическом анализе.

Впервые российские ученые Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Института физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) создали кубит — элементарный объект для хранения данных в квантовом компьютере, в мае 2015 г. Для этого они использовали два сверхпроводника, разделенные тонким слоем диэлектрика.

rqc500.jpg
Установка для получения кубита в российском квантовом центре

В октябре 2017 г. сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова представили новую теоретическую модель и действующую установку, позволяющую создавать компактные оптические элементы для чипов квантового компьютера.

Одной из важных характеристик светового пучка является поляризация, то есть направление плоскости распространения световой волны. Сведения о поляризации световой волны могут быть использованы в качестве дополнительной информации о состоянии света наряду с другими физическими характеристиками. Возможность управлять поляризационным состоянием значительно расширяет возможности оптических устройств. В частности, оптические элементы, позволяющие контролировать поляризацию света, могут использоваться в чипах квантовых компьютеров. С их помощью увеличивается число способов, которыми можно изменить состояние света. Другими словами, размерность полного преобразования.

«Основная цель работы – развитие методов управления поляризационным состоянием света на чипе. Использование поляризационных преобразований квантовых состояний света вкупе с пространственными преобразованиями позволяет эффективно увеличить размерность полного преобразования без существенного увеличения числа оптических элементов», – рассказал один из авторов исследования Иван Дьяконов, научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ.

Для создания устройства ученые использовали лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы. Этот метод называется фемтосекундной печатью (ФСП) и является наиболее быстрым и дешевым способом создания подобных устройств. В частности, с помощью ФСП создают волноводы – специальные каналы, по которым распространяется свет. Однако в волноводах, созданных при помощи такой техники, физические свойства распределены однородно по всем направлениям (такое свойство называется низкой анизотропией). Этот недостаток не позволяет создавать устройства компактных размеров. Ученым физического факультета удалось преодолеть эту сложность.

Исследователи описали теоретическую модель компактного поляризационного устройства, а также создали действующую экспериментальную установку, позволяющую реализовывать этот метод. Все этапы работы — от теоретического описания до обработки результатов эксперимента — были осуществлены сотрудниками физического факультета.

Горизонт практического применения квантовых вычислений

IBM впервые сообщила о создании рабочего прототипа 50-кубитного квантового процессора в ноябре 2017 г. Предыдущим достижением компании было создание прототипа 17-кубитного квантового компьютера, представленного в мае 2017 г.

Прототип 50-кубитного процессора IBM

В декабре 2017 г. о создании модели квантовой системы из 53 кубитов сообщили ученые из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST) США. Симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными острыми электродами.

Ожидается, что получаемые с помощью квантовых вычислений данные будут значительно превосходить по точности приближенные вычисления, используемые сегодня.

Согласно существующим прогнозам, создание квантовых вычислительных систем, обеспечивающих решение практически значимых задач, ожидается в 2025-2030 гг.