В 2020 году в России была утверждена дорожная карта по развитию квантовых вычислений. Спустя год в стране появились пятикубитная интегральная схема и квантовый симулятор на базе 11 кубитов. Однако для практического использования квантового компьютера нужны машины с тысячами кубитов. Такие, как рассказал CDO2Day Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом», глава Национальной квантовой лаборатории, появятся не ранее 2027-2030 годов.
— Каковы текущие результаты развития квантовых технологий в России?
— В июле 2019 года правительство подписало соглашения с крупнейшими российскими госкомпаниями о развитии ряда высокотехнологичных областей, куда вошли и квантовые технологии. Первоначально была согласована единая дорожная карта по развитию квантов в России, однако впоследствии каждая госкорпорация взяла на себя по одному направлению: Росатом стал отвечать за создание отечественного квантового компьютера, то есть за дорожную карту по квантовым вычислениям, РЖД — за весь блок квантовых коммуникаций, а Ростех — за квантовые сенсоры. Задумка состояла в том, чтобы компании инвестировали собственные средства в развитие технологий, тем самым сократив долю бюджетных инвестиций.
Дорожную карту по квантовым вычислениям утвердили первой — в июле 2020 года. Бюджет составил 23,7 млрд рублей, 45% пришлось на внебюджетные источники. В рамках дорожной карты были поставлены несколько задач, главная из которых — к 2025 году построить квантовые процессоры на 4 платформах: сверхпроводниках, нейтральных атомах, ионах и фотонах, а также создать облачный софт для удаленной работы с квантовыми компьютерами.
В ноябре 2020 года в России запустилась Национальная квантовая лаборатория (НКЛ) — научно-технологический консорциум, в который вошли ключевые вузы, научные центры, технологические компании и индустриальные партнеры. НКЛ была создана, чтобы консолидировать ресурсы и усилия в разработке российского квантового компьютера и выступать везде единым фронтом. Это достаточно распространенная практика и за рубежом — подобные национальные инициативы уже доказали свою состоятельность.
По итогам 2020 года ученым удалось выполнить все намеченные активности в полном объеме — так, уровень готовности технологии (Quantum Technology Readiness Levels, QTRL) поднялся с третьей ступени на четвертую из девяти возможных.
— Насколько насыщенным для квантовой отрасли оказался 2021 год?
— Несмотря на то, что год еще не закончился, можно с полной уверенностью утверждать, что он оказал сильнейшее влияние на развитие российской квантовой индустрии.
В январе 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 и здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях.
В апреле в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ была изготовлена пятикубитная (кубит – основная единица информации в квантовых вычислениях, аналог бита в обычных компьютерных вычислениях, прим. ред.) интегральная схема. На нынешней стадии схему можно применять в квантовом машинном обучении – области науки на пересечении квантовой физики и современных технологий обработки информации.
Также в апреле Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений — облачный сервис, который позволяет решать прикладные бизнес-задачи людям, не обладающим экспертизой в квантовой механике. Собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.
Тогда же исследователи из Национальной квантовой лаборатории и ФИАН им. П.Н. Лебедева анонсировали прототип квантового компьютера: группа собрала систему, в которой до 20 ионов захватывается электромагнитной ловушкой. Прототип разрабатывает совместная лаборатория РКЦ и ФИАН им. П.Н. Лебедева.
В июне ученые из Российского квантового центра, НИТУ «МИСиС», Университета ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатома и Института Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов, который можно применять для описания широкого класса физических систем.
В июле Российский квантовый центр, Госкорпорация «Росатом» и Национальная квантовая лаборатория провели VI Международную конференцию по квантовым технологиям (ICQT-2021). Это крупнейшая российская конференция, посвященная развитию квантовых технологий. Мы впервые провели ее в онлайн-формате, собрав мировых экспертов из США, Канады, Китая, Германии, Великобритании, Франции, Австрии, Швейцарии, Дании, Нидерландов, Испании, Италии и Сингапура. Проведение конференции поддержал вице-премьер правительства РФ, сопредседатель оргкомитета Года науки и технологий Дмитрий Чернышенко.
В рамках конференции исследователи из Российского квантового центра совместно с медицинской компанией Genotek объявили о сокращении времени сборки генома с помощью квантового отжига. Полученные результаты в перспективе позволят более точно диагностировать онкологические заболевания и лечить их с учетом индивидуальных особенностей организма. Помимо этого, один из проектов РКЦ проанализировал, как группе компаний Bosch защитить собственные информационные системы от кибератак с применением квантовых компьютеров.
В недавней работе ученые показали, что созданный массив кубитов можно рассматривать как одномерный топологический квантовый метаматериал, а в цепочках кубитов может возникать новый тип квазичастиц — дублонные топологические возбуждения (дублон – это система из двух связанных фотонов). Топологические состояния в квантовых системах отличаются повышенной стабильностью, поэтому открытие можно использовать при создании новых материалов для устойчивых к шумам квантовых компьютеров.
— Когда в России можно ожидать начала широкого практического использования квантовых технологий?
— Первые системы, пригодные для решения большинства задач в реальной производственной среде, мы ожидаем не ранее 2027-2030 годов.
В финансовом секторе это, прежде всего, оптимизация процесса автоматического ценообразования и алгоритмического прогнозирования цен на фьючерсы и другие финансовые активы, а также управление инвестфондами и процессами хеджирования рисков. Использование квантовых алгоритмов позволит распознавать как попытки финансового мошенничества, так и кражи финансовых данных.
Квантовые вычисления дадут возможность оптимизировать крупномасштабные логистические и транспортные сети с большим количеством возможных маршрутов и промежуточных узлов. В мегаполисах оптимизация дорожного трафика позволит сократить общее время в пути за счет построения более точных маршрутов.
— Кто станет основным потребителем таких технологий?
— Государство, а также крупный и средний бизнес в самых различных областях: финансах, логистике, промышленности, авиастроении, информационной безопасности, энергетике.
— Какие научные и инженерные задачи еще нужно решить?
— Главным препятствием для стабильной работы квантовых компьютеров является высокий уровень шумов, не позволяющий поддерживать нужное состояние квантовых объектов достаточно долго для работы практических алгоритмов. Поэтому изоляция системы, уменьшение уровня ошибок на вентилях и создание эффективных алгоритмов, корректирующих ошибки, являются приоритетными направлениями исследований.
— Какие тенденции в сфере квантовых технологий будут преобладать в 2022-2023 гг?
— Динамика и тенденции развития квантовых вычислительных систем прослеживаются в дорожных картах, опубликованных ведущими игроками на рынке.
На данный момент наиболее мощным квантовым процессором, созданным IBM, является 65-кубитная система Quantum Hummingbird, представленная в августе 2020 г. IBM заявляет, что уже в 2021 году собирается выпустить квантовый компьютер Quantum Eagle с мощностью до 127 физических кубитов. Среди его нововведений будет новая топология расчетов, которая реализует форму встроенной защиты от ошибок. В 2022 году должен появиться 433-кубитный квантовый компьютер IBM Osprey, а в 2023 году – 1121-кубитный процессор Condor, который, по мнению компании, станет отправной точкой для масштабирования системы до размеров в миллионы физических кубитов.
Компания Google в 2019 году представила 53-кубитный квантовый процессор Sycamore, который впервые в мире продемонстрировал квантовое превосходство в решении достаточно специфичной вычислительной задачи. В 2021 году, как и в IBM, компанией должен быть представлен новый 100-кубитный процессор, в 2023 году – продемонстрировано объединение 1000 физических кубитов в один отказоустойчивый логический кубит.
Системы на основе тысячи кубитов станут отправной точкой к быстрому масштабированию. Согласно оценкам ученых, квантовые процессоры с количеством кубит в несколько тысяч и достаточно низким уровнем ошибок позволят проводить ряд полезных вычислений для практических задач оптимизации, сценарного моделирования и машинного обучения, а более сложные системы объемом в миллионы кубит решат сложнейшие задачи разработки новых материалов и лекарств, поиска в неструктурированных базах данных и криптоанализа.
