В России впервые создан 50-кубитный квантовый компьютер. Разработка велась в рамках «дорожной карты» развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой выступает госкорпорация «Росатом».

Работа проведена научной группой Российского квантового центра (РКЦ) и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН). Экспертную поддержку реализации «дорожной карты» оказывает Российская академия наук.

На данный момент универсальный квантовый вычислитель на ионной платформе с 50 кубитами является самым мощным квантовым компьютером в России. Доступ к нему осуществляется через облачную платформу, с помощью которой могут быть запущены базовые квантовые алгоритмы.

Созданный квантовый компьютер базируется на уникальной кудитной технологии, которую российские ученые начали использовать третьими в мире, после Австрии и США.

Достижение 50-кубитного результата заняло у научной группы четыре года. Средний показатель продолжительности аналогичных исследований в мире составляет 15 лет. Таким образом, скорость развития российского квантового проекта является одной из самых высоких в мире.

«Росатом» осуществляет организационное управление российским квантовым проектом и паритетно с государством вносит собственные внебюджетные средства в достижение показателей «дорожной карты»: финансирование на 2020–2024 годы составляет 24 млрд руб.

Развитие высокопроизводительных российских квантовых вычислителей при координации «Росатома» будет продолжено в рамках федерального проекта «Развитие перспективных технологий» национальной программы «Экономика данных». При этом внимание будет уделено как развитию характеристик квантовых компьютеров, так и созданию условий для их практического применения в экономике страны.

Александр Борисенко, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое кубит? Что такое квантовый компьютер?

— Кубит — это квантовый бит. Если бит — это два возможных состояния (или ноль, или единица), то кубит — это все возможные состояния между этими числами, но не просто аналоговые, как половинка, три четверти, а более сложная история. Смесь ноля и единицы одновременно, так называемая суперпозиция состояний. В процессе вычисления кубит принимает значение, грубо говоря, вероятностное, а в конце вычислений уже проецируется на ноль или единицу. Соответственно, квантовый компьютер — это вычислительная машина, которая производит операции на кубитах.

— Как проходят научные исследования квантовых вычислений?

— Если рассказывать про какой-то насыщенный и интересный день, то с утра приходишь в лабораторию и начинаешь собирать какую-то часть установки. Что это значит? Выставляешь зеркала так, чтобы луч от лазера шел в определенном направлении. Ставишь линзы, подбираешь размер светового пучка так, чтобы он заходил в оптическое волокно. Дальше это волокно направляешь уже в установку. Настраиваешь углы так, чтобы луч попадал куда надо. Далее уже запускаешь эксперимент. Смотришь, какие ошибки возникли.

То есть первая часть — работа за оптическим столом, когда ты выставляешь оптические элементы. Вторая часть — садишься за компьютер и смотришь, какие у тебя получились результаты. И так можно целый день настраивать квантовый компьютер, сидеть за компьютером обычным классическим, подбирать, чтобы температуры все стояли, обмерять параметры установки и писать их в лабораторный журнал.

Перед выходом из лаборатории вечером ты нажимаешь на кнопку, машина запускается и всю ночь считает. Установка запускает алгоритмы, которые ты в течение дня продумывал и подготавливал. А на следующий день приходишь, смотришь результаты, которые у тебя вышли, анализируешь и пытаешься понять, почему у тебя результат не такой, как ты ожидал.

Далее, прежде чем поставить выполняться какой-то базовый алгоритм, нужно установку снова откалибровать, потому что некоторые параметры могут меняться со временем. Для этого производятся разные измерения параметров установки. Это обычно температура, магнитное поле, мощности оптического излучения. Мы настраиваем наши квантовые операции, чтобы они происходили максимально точно. А дальше, прежде чем поставить на ночь, мы довольно часто запускаем какие-то тестовые квантовые цепочки.

Это в интересные дни. Но бывает, допустим, мы пришли, а у нас вентиляция работает нестабильно. И мы будем ремонтировать вентиляцию, потому что, пока температура в лаборатории нестабильна, эксперимент ставить не получится. А изменения температуры в лаборатории не должны превышать 0,1 градуса Цельсия, иначе эксперимент будет неточным.

— Что может делать созданный вами ионный 50-кубитный квантовый компьютер? Идет речь о каких-либо практических задачах или это пока исключительно лабораторная история?

— Мы тренируемся, мы запускаем алгоритмы, которые в дальнейшем могут быть использованы как кирпичики для более сложных, практически значимых задач.

Это стандартные алгоритмы, которые выполняются на квантовых компьютерах. Тогда позднее, когда будут машины помощнее, при увеличении количества кубитов, уже потом можно будет использовать эти алгоритмы для решения практически значимых задач.

Пока что мы можем решать задачи не очень сложные, но те, которые позволяют нам понять, как ведет себя квантовый компьютер, где у него проблемы, что работает хорошо, что не очень. Занимаемся, грубо говоря, исследованием нашей машины.

Плюс мы пытаемся находить такие подходы, которые вкупе с классическими вычислениями уже позволят нам ускорить какие-то вычисления. Но это сложная задача, хочется уже иметь многокубитную систему, 200+ кубитов, которая будет работать хорошо. И эти системы уже можно будет как раз использовать для практических задач.

Многое, впрочем, будет зависеть от того, с какой достоверностью у нас будет работать вычислитель, каким будет уровень ошибок. Если получатся хорошие кубиты, то этого уже будет достаточно, чтобы часть задач отправлять на квантовый вычислитель.

В России разработки квантовых компьютеров ведутся по четырем направлениям. Это атомные, сверхпроводниковые, фотонные и ионные платформы. Ученые сейчас продолжают выяснять, какие алгоритмы лучше выполнять на той или иной машине. Потому что у них у всех разные характеристики, и часть вычислений более приоритетно выполнять на определенной платформе. Наши исследования позволяют понять слабые и сильные стороны платформ.

Одно из направлений, которое мы сейчас развиваем,— это кудитный подход, когда в одной частице кодируются, например, два кубита. Это нам позволяет не только увеличивать количество кубитов в системе, но и проводить часть алгоритмов более эффективно.

Тут мы работает вместе с теоретиками, пробуем разные идеи. Оказывается, что на самом деле можно придумывать довольно много разных хитрых способов, как можно практические задачи, которые важны людям, решать более эффективно. Например, более эффективно используя сильные стороны того или иного квантового компьютера.

Мы хорошо знаем наше «железо», поэтому мы можем придумать, как «подружить» данный конкретный алгоритм и наше «железо», чтобы наиболее эффективно запускать квантовые алгоритмы в дальнейшем. Чтобы максимально использовать те ресурсы, что у нас есть. И это очень большая и важная работа, которой мы уделяем много времени, наравне с масштабированием квантового компьютера и увеличением количества кубитов.

— Расскажите подробнее про кудитную технологию. В чем ее уникальность?

— Мы не первые, кто придумал кудиты. Они существовали и ранее. Но квантовых компьютеров, которые поддерживают эту технологию, на сегодняшний день очень мало.

Технология эта очень перспективная. Например, мы показали, что можем очень дешево с точки зрения материальных ресурсов удвоить количество кубитов в нашей системе.

Исследования также показали, что ряд квантовых алгоритмов можно выполнять более эффективно, проводя гораздо меньше операций, если использовать кудиты.

Как производятся вычисления с помощью кудитов. Нам присылают алгоритм, рассчитанный на использование кубитов. Для всех квантовых компьютеров можно сформировать на специальном языке программирования какой-то квантовый алгоритм. Дальше коллеги из группы Алексея Федорова, научного руководителя группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ, директора Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС, сделали транспилятор, который позволяет нам запустить произвольный алгоритм с использованием кудитов, а ответ получить в том виде, в котором привыкли его видеть исследователи, которые работают с кубитами. То есть тот, кто запускал алгоритм, может даже не знать, что работал с кудитами. Возможно, у нас сейчас единственный квантовый компьютер, который умеет такое проделывать. В России точно единственный. Возможно, что и в мире.

При этом в мире сейчас специально создаются квантовые алгоритмы, заточенные под кудиты. Мы же умеем запускать обычные алгоритмы, которые всем известны для кубитов, на нашей кудитной машине. То есть существует язык перевода с кубитного языка на кудитный язык, и для пользователя это происходит незаметно.

На вопросы «Ъ-Науки» отвечает Руслан Юнусов, советник генерального директора госкорпорации «Росатом», сооснователь РКЦ:

— Как вы считаете, будет ли взята планка в 50 кубитов на других платформах (сверхпроводники, нейтральные атомы, фотоны)? И когда это может случиться?

— Мы ожидаем появления 50-кубитного квантового компьютера на нейтральных атомах и 50-кубитного квантового компьютера на ионах кальция. То есть будет еще один ионный квантовый компьютер в другой реализации.

На ионной платформе будут две отдельные установки, собранные разным способом.

— Какими будут самые ближайшие вехи в развитии технологии? В какие сроки они будут, по вашему мнению, пройдены?

— С одной стороны, мы планируем увеличивать количество кубитов в 3D-ловушке, то есть улучшать действующую технологию. Начиная с 50 кубитов и далее. С другой — параллельно мы запускаем перспективную ионную платформу. Тоже ионную, как в случае с существующим ионным 50-кубитным квантовым компьютером. Но там будут уже 2D-ловушки, так называемые планарные или поверхностные. И на них планируется к 2030 году получить 300 кубитов.

Также мы надеемся научиться решать задачи, которые непосильны для существующих суперкомпьютеров. То есть показать квантовое превосходство.

— Когда квантовые вычисления могут начать применяться в промышленных масштабах для практических задач? На каком временном горизонте они могут стать повседневными и обыденными?

— Если мы говорим про наш российский проект, то в рамках «дорожной карты» к 2030 году мы хотим показать несколько прикладных задач, которые квантовый компьютер будет решать быстрее, чем суперкомпьютер. Это и будет порог квантового превосходства на полезных задачах. Это около пяти-шести лет от сегодняшнего дня.

Если же говорить обо всем мире, то мы думаем, что такие полезные задачи будут продемонстрированы, наверное, на горизонте двух-трех лет. То есть в ближайшие два-три года мы увидим полезные задачи, где квантовые компьютеры работают лучше. А дальше надо будет увеличивать количество таких задач, наращивать мощность квантового компьютера, чтобы расширять его применение. И постепенно, за 10–15–20 лет, он станет применяться гораздо более широко.

Подготовлено при поддержке Российского квантового центра