Так называемое квантовое превосходство — предсказанная в теории возможность квантовых компьютеров на несколько порядков превзойти классические устройства по скорости и точности вычислений — пока не достигнуто. И хотя в прошлом году американский стартап Atom Computing (IBM) заявил, что взял эту высоту, создав 1000-кубитный процессор, ученые тут же подсчитали, что представленная технология имеет инженерные ограничения и далека от масштабирования.
Нынешний этап квантовой революции пока сугубо научный, и герои его — физики. Но в том, что очень скоро квантовые устройства выйдут на рынок, никто не сомневается. Они займут несколько ниш, в их числе сенсорика, криптография и кибербезопасность, моделирование реакций, оптимизация сложных систем. В более далекой перспективе квантовые компьютеры могут полностью вытеснить традиционную электронику.
Напомним, главное отличие «машин на кубитах» от привычных нам компьютеров в том, что для вычислений в них используется не биты, которые принимают одно из двух значений — 0 или 1, а квантовые биты, которые находятся одновременно в двух состояниях или, по-научному, в суперпозиции. Это позволяет одному кубиту выполнять два вычисления сразу, а когда два кубита связаны с помощью эффекта квантовой запутанности, они могут выполнять уже 22, или 4 вычисления; три кубита — 23, или восемь вычислений, и так далее.
В этом году Россия вошла в топ-5 стран — обладателей 50-кубитного квантового компьютера. Его создали ученые Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра при поддержке «Росатома». О том, как развивается квантовая гонка, кто инвестирует в квантовые технологии, каковы сильные и слабые стороны России и какого профита ожидать от квантового превосходства, мы поговорили с директором ФИАНа, членом-корреспондентом РАН Николаем Колачевским.
— Николай Николаевич, сейчас очень много говорят о квантовой гонке, как когда-то о космической или ядерной. А существует ли она в реальности и если да, то по каким направлениям?
— Квантовая гонка, конечно, существует, ее можно считать продолжением другой гонки, лазерной, которая в итоге материализовалась в конкурирующие системы спутниковой навигации, которыми сейчас владеют всего несколько стран. В 1990-х годах с помощью лазеров стали проводиться эксперименты с кубитами: лазерные лучи надежно фиксировали атомы в заданном месте, а спектроскопические методы позволяли работать с квантовым состоянием электронов в них.
Но если двадцать — двадцать пять лет назад идеи великих основателей квантовой теории — Эйнштейна, Гейзенберга — мы развивали на бумаге, то сегодня появились первые квантовые приборы, и на наших глазах разворачивается настоящая битва за владение этими технологиями. Сейчас в приоритете три направления: передача информации, которую невозможно расшифровать, квантовое вычисление и квантовые сенсоры для навигации.
— А от чего зависит лидерство в этом соперничестве? Если в полупроводниках это была битва за уменьшение размеров транзисторов на чипе, то здесь к чему все стремятся?
— Если говорить про коммуникации, лидером в квантовой гонке в этой части будет тот, кто в масштабах страны сделает квантово защищенные линии связи и переведет их в режим сервиса для людей. Грубо говоря, чтобы у вас пароль на «Госуслугах» был квантово защищенный.
В области вычислений — создание квантового компьютера, с помощью которого можно синтезировать новое лекарство или оптимизировать производственный процесс.
Если говорить про сенсорику, то это создание сенсоров для навигации, не зависящей от спутников, и более чувствительных сенсоров для медицины, которые позволят выпускать IоТ-устройства, к примеру для контроля частоты сердечных сокращений, артериального давления, температуры, для пациентов, которые физически не присутствуют в медучреждении. В сенсорике выиграет тот, кто первым создаст маленькие, точные и дешевые квантовые сенсоры.
Что касается непосредственно науки, то гонка идет за количеством и качеством кубитов, с помощью которых и достигается то самое превосходство квантовых компьютеров над классическими, о котором сейчас много говорят. Несколько сотен идеальных кубитов позволят раскладывать на множители 256-битные числа и фактически решать очень сложные задачи.
Созданный в октябре 2024 года российский квантовый компьютер имеет мощность 50 кубит и базируется на ионной платформе. Кубиты создаются на основе ионов иттербия. Достижение этого результата заняло у ученых всего четыре года, тогда как средний показатель продолжительности аналогичных исследований в мире — 15 лет.
В этом проекте Россия стала третьей страной после Австрии и США, которая использовала кудитную технологию, то есть задействовала в операциях многоуровневые кубиты — кудиты, кодирующие более двух состояний. Это позволило без дополнительных затрат удвоить количество кубитов в системе. Доступ к российскому квантовому компьютеру осуществляется через облачную платформу, с помощью которой могут быть запущены базовые квантовые алгоритмы.
— Каково соотношение сил в мире по квантовым технологиям? Где в этой иерархии находится Россия со своей разработкой 50-кубитного компьютера?
— Безусловно, мы участники нынешней большой квантовой гонки. До нас в этой иерархии были США, Китай, Великобритания и, как ни странно, Австрия. Россия, получается, пятая. Безусловное лидерство здесь сохраняют США, где очень много ярких ученых и развита не только наука, но и технология, что очень важно, поскольку немалая часть задач в области квантовых вычислений эквивалентны задачам микроэлектроники. Поэтому и управляют этими процессами такие гиганты, как Google, Microsoft, IBM, с которыми на мировом уровне всем тягаться очень тяжело. У них сотни высокооплачиваемых специалистов по поиску алгоритмов для квантовых компьютеров. Опять же инвестиции не только государственные, но и частные. Туда вкладываются миллиарды долларов, хотя в масштабе финансирования графических ускорителей и искусственного интеллекта это все равно будут копейки. Просто у них все организовано так, что они получают максимум возможностей.
Китай занимает другую позицию, у них, наверное, результаты чуть менее яркие, ближе к тому, как развивается это направление в России. Но они берут масштабом. То есть, условно говоря, на каждые наши две квантовые лаборатории у них будет тридцать, а на нашу тысячу километров квантовых коммуникаций у них десять тысяч. Такая вот экстенсивная китайская история. Это, конечно, не в нашу пользу, потому что число исследователей, которые занимаются в Китае квантовыми технологиями в широком смысле, гораздо больше, чем у нас, а, как мы помним, количество в какой-то момент переходит в качество. Наш масштаб небольшой: в дорожной карте по квантовым вычислениям участвуют всего шесть организаций, в каждой из которых имеется по несколько квантовых лабораторий с численностью человек по двадцать. Это, конечно, немного.
Для нас важнее не рынок, а создание собственных критических технологий. Мы исторически, начиная с 1940-х годов, жили в парадигме рисков и вызовов. Как типичная гонка развивался атомный проект, а сейчас — квантовый
При этом у нас исторически очень хорошая научная база, очень много ярких идей в области квантовой оптики, твердотельной наноэлектроники и фотоники. Но мы довольно сильно отстаем именно по технологической части. Это наша ахиллесова пята, я бы сказал. Многие вещи связаны, например, с тем, как сделать какой-нибудь специфический чип или вырастить структуру. Нам это существенно сложнее, чем американцам и даже китайцам. Поэтому мы пытаемся опередить их именно с качественной, научной точки зрения.
В этой квантовой гонке также участвует Великобритания, там очень сильные исследования, и своих позиций англичане, конечно, не отдадут. В Европе квантовые технологии успешно развивают Австрия и Франция — там в приоритете направление сенсорики, Германия начинает подтягиваться к ним. Упорно вкладывают в квантовые технология Индия, Австралия. То есть мы находимся в таком сильно конкурентном пространстве, где нужно двигаться очень быстро.
За рынок будем бороться
— И тем не менее аналитики отмечают резкое падение инвестиций в квантовую отрасль в США, по итогу 2023 года —на 80 процентов….
— Я это связываю с перегревом ожиданий, это такой типичный биржевой цикл. Я не игрок на бирже, но я представляю себе, что, когда появляется какая-то свежая идея, все туда вкладываются, идет огромный всплеск, потом начинается охлаждение и все это выходит на более или менее стабильный уровень. Да, были перегреты немножко ожидания, особенно в области квантовых вычислений. Года три-четыре назад везде писали, что квантовый компьютер полностью заменит классический. Он будет очень мощный, дешевый и будет доступен каждому.
Но, скорее всего, этого не произойдет. Перспектива, которая точно просматривается, более скромная: ускорители на квантовых процессорах и квантово вдохновленные алгоритмы, с помощью которых будут решаться специфические задачи. Инвесторам это стало скучнее, они сейчас с большим энтузиазмом вкладываются в NVidia. Хотя любой инвестиционный бум — в широком смысле перегретая история. Я скажу так: рыночная капитализация — это то, за что никогда не купят Microsoft, и то, за что никогда не продадут «Газпром».
При этом нельзя говорить, что квантовый бум схлынул в ноль. Крупные корпорации вкладывают огромные деньги и человеческие ресурсы в это направление. Здесь можно привести аналогию с высокотемпературной сверхпроводимостью. В 70-е годы прошлого столетия было ожидание, что вот сейчас изобрели высокотемпературные сверхпроводники, и у нас все заработает по-другому: и поезда, и автобусы, и телефоны. Если бы тогда рыночные механизмы были развиты как сейчас, это тоже был бы огромный надутый пузырь, все начали бы вкладываться в эти технологии, в производство. Но тогда такого не было. Спустя двадцать лет высокотемпературные сверхпроводящие системы не стали массовым явлением, не вытеснили двигатели внутреннего сгорания, но заняли свои ниши во многих областях, в том числе в критически важных. И без всякого бума.
— Как выглядит инвестиционный ландшафт квантовых технологий? В России и Китае наверняка основной инвестор — государство, а в США — корпорации?
— Я бы сказал, что государство как инвестор везде играет ключевую роль. У меня по этому поводу есть некоторая внутренняя позиция. Я со свечкой не стоял, но убежден, что на ровном месте Илон Маск не мог появиться, он получал и получает бюджетные деньги, прокаченные через какой-нибудь JPMorgan. Америка — это один большой банк. Декларируется, что там за редким исключением вообще нет государственных денег в науке и технологиях, все как бы частное. Но лично я в это не верю, особенно если это касается старта совершенно новых капиталоемких направлений. Просто у них все по-другому устроено. Есть огромные корпорации, которые также могут пользоваться деньгами налогоплательщиков в разных формах и одновременно вкладывать свои средства, это позволяет им участвовать и в научной гонке, и в технологической. Google вот уже вышел в ранг производителей нобелевских лауреатов, это надо очень серьезно воспринимать.
У нас совершенно другая история. Ключевой и, наверное, единственный инвестор в квантовую тематику — государство. Даже те деньги, которые мы формально считаем частными инвестициями, — это бюджетные деньги, пропущенные через какие-то структуры. Так, например, работают госкорпорации, которые являются получателями бюджетных денег, а дальше они ведут себя как частные компании. К 2030 году президент поставил задачу достичь паритетного финансирования науки от государства и негосударственных структур, посмотрим, как это будет реализовано в квантовых технологиях.
Мы исторически, начиная с 1940-х годов, жили в парадигме рисков и вызовов. Как типичная гонка развивался и атомный проект. Советскому Союзу надо было в течение двух лет наверстать этот угрожающий разрыв. Сейчас искусственный интеллект, квантовые вычисления оцениваются как потенциальные угрозы. Дай бог, чтобы это все оказалось хорошим, гражданским, интересным, развивающим сознание человечества направлением. Но ведь всегда все можно повернуть по-другому.
В Китае вообще нельзя разобраться, как там финансирование устроено. Я пытался это сделать, но это отдельный мир — и как контроль денег там осуществляется, и как развитие проектов.
— Каков ваш прогноз относительно того, как будет формироваться рынок будущих квантовых устройств? Есть ли вообще понимание, как выходить на рынок с этими технологиями, если это вообще нужно делать?
— Это очень сложный вопрос. То есть, с одной стороны, совершенно правильный тезис, что, если ты создаешь высокотехнологичную компанию со специфической продукцией и хочешь, чтобы у тебя окупалось производство, тебе нужно выходить на мировой рынок, так как на локальном рынке не будет окупаемости. Так устроена финансовая арифметика.
Но именно в России ситуация сложнее, потому что большинство технологий, которые мы сейчас обсуждаем, считаются критически важными. Соответственно, все российские организации, которые занимаются этой тематикой, находятся под санкциями. ФИАН попал еще в первую санкционную волну, так же как и Московский физико-технический институт. И это прямо было написано: по причине того, что мы занимаемся квантовыми технологиями. Блокирующие санкции довольно неприятная штука, они нам мешают публиковать статьи в журналах, закупать оборудование, и, главное, они очень надолго, скорее всего навсегда.
Поэтому для нас важнее не рынок, а создание собственных критических технологий. Может быть, они будут частично только окупаться. Но надо с ними выходить на широкий рынок или нет?
Может быть, частично надо, может, в дружественные страны мы сможем продавать наши устройства. Мы с удовольствием такие планы строим. Другой вопрос, что там рынок не сформировавшийся, но там, где мы можем бороться, будем это делать.
В этом плане, конечно, трудно будет соперничать с Китаем. Они только начинают делать слепки в лаборатории и уже говорят: а это мы можем для вас сделать, вы можете это у нас купить по такой-то цене. В России совершенно другая идеология, с очень сложной регуляторикой, с постоянной оглядкой на то, как бы не вывезти какие-то секреты. Не думаю, что у нас будет много квантовых стартапов, специалисты не хотят туда идти, потому что проблем можно себе нажить гораздо больше, чем заработать денег.
На мой взгляд, путь от исследований до продаж, включая попытки зарубежных продаж, должен быть короче и менее зарегулирован.
Чипы делаем сами
— Что представляет собой российский квантовый компьютер?
— Мы одна из немногих стран в мире, которая развивает все четыре основные платформы квантовых вычислений — сверхпроводящую, ионную, на нейтральных атомах и на фотонах. Сверхпроводящая платформа представляет собой маленький чип с малоразмерными структурами, который помещен внутрь криостата. К этому чипу подведены кабели, чтобы охладить его до температуры минус 273 Цельсия, то есть почти до абсолютного нуля. На всех картинках с квантовым компьютером мы как раз видим этот криостат в виде цилиндра, а сама вычислительная система спрятана внутри.
В ионной платформе сердцем служит не чип, а отдельные атомы, которые висят в небольшой вакуумной камере. Вокруг этого сосредоточено большое количество оптики, лазеров, пучков, и все это тоже подключено к компьютеру. Выглядит как лабораторная оптическая установка. Сейчас она достаточно громоздкая, в будущем сделаем ее более компактной, чтобы можно было поставить в систему размером со шкаф.
Мы одна из немногих стран в мире, которая развивает все четыре основные платформы квантовых вычислений — сверхпроводящую, ионную, на нейтральных атомах и на фотонах
Платформа на нейтральных атомах основана на технологиях в области лазерного охлаждения, магнитно-оптической ловушки и оптического пинцета. Сначала из расплава определенных металлов массив атомов вытягивается в вакуумную камеру, далее с помощью системы лазерных лучей создается ловушка, которая захватывает атомы, выполняющие роль кубитов, при взаимодействии с лазерным излучением они замораживаются до почти неподвижного состояния. Кубиты подготавливаются с помощью оптической накачки.
Фотонный квантовый компьютер выглядит как разветвленная линейная оптическая цепь. Установка включает множество оптических устройств, по которым проходит свет: источники, светоделители, зеркала и детекторы фотонов на выходе. Важную роль в таком компьютере играют интерферометры — специальные системы, которые используются для управления взаимодействием фотонов и создания квантовых вентилей. Последние нужны для выполнения логических операций с кубитами.
— Какие чипы используются в наших компьютерах – в тех платформах, где они есть?
— Чипы со структурами в сотни нанометров. На них навешиваются конденсатор, резонатор, и все это имеет размер порядка одного миллиметра. Литографические технологии, которые при этом используются, имеют разрешение в сотню нанометров.
— Получается, Россия их самостоятельно может производить?
— Да, в России как минимум три организации владеют такой технологией — МГТУ имени Баумана, Центр коллективного пользования в МФТИ и Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН. Для нас эта технология оказалась проще, чем технология микроэлектроники, здесь мы менее зависимы от зарубежных поставщиков. Сейчас мы умеем делать 10-кубитные чипы, 16-кубитные, 20-кубитные. Другой вопрос, что есть ограничение по криостатам, их приходится закупать, но у нас тоже уже готовится по ним свой проект. Но в целом квантовые компьютеры нам кажутся более реалистичными, чем классические, для производства которых нужны более сложные техпроцессы. Хотя и квантовые технологии будут усложняться, сейчас научная гонка напрямую связана с технологической.
— На сколько процентов квантовый компьютер, собранный в ФИАНе, российский?
— Примерно на 50 процентов. Зарубежной является обслуживающая электроника и, как ни странно, некоторые лазерные системы для определенных научных целей. А все так называемые критические компоненты — отечественные. Что касается следующего этапа, перехода к более сложным чипам в 100, 200, 300 кубит, то я допускаю, что технологические задачи будут сложнее, но так или иначе мы с ними справимся.
Начнем с логистических задач
— Что представляет собой софт для квантового компьютера, он же вообще создается не в логике двоичной системы?
— Действительно, вопросы программирования на квантовом компьютере особенные, там совсем другая логика, хотя сейчас мы делаем компьютеры, которые выполняют последовательные операции. Мы имеем сотни хороших квантовых алгоритмов с доказанным ускорением относительно классических, но при имеющихся мощностях компьютеров пока их преимущества использовать не удается. Надо иметь несколько сотен идеальных кубитов.
Сильная наша сторона как раз в алгоритмистах. Мы сотрудничаем с группой одного из лучших в мире специалистов по квантовым информационным технологиям, молодого и уже известного ученого Алексея Федорова из Российского квантового центра, там у него очень яркие ребята и своя идеология написания квантовых алгоритмов.
Сейчас мы в эпохе так называемых шумных квантовых компьютеров. Задача программистов — оптимизация алгоритмов с целью уменьшения количества операций. Пока используются алгоритмы коррекции ошибок, так же как в начале эпохи классических компьютеров.
В области софта поле для работы огромное. Квантовый компьютер — это ведь еще и конструктор волновой функции с большим количеством коэффициентов перед комбинациями базисных состояний.
Многие группы математиков занимаются постквантовыми или квантово вдохновленными алгоритмами шифрования, которые будут устойчивы к потенциальной атаке квантового компьютера. И это тоже один из признаков квантовой гонки. Математическое, криптографическое научное сообщество всколыхнулось и ищет способы развивать свои направления. Вот недавно была такая провокационная новость, что блокчейн взломали с помощью квантового компьютера. На самом деле это китайцы на DeWave попробовали разложить некоторое число, причем совсем не того масштаба, который требуется для взлома блокчейна. Как мне сказали коллеги из криптообласти, поскольку курс биткоина никак не изменился, значит, все это неправда.
Но тем не менее эта вибрация в воздухе, что такое может случиться в любой момент, пусть даже через пять или десять лет, стимулирует развитие области.
— Как будет использоваться российский квантовый компьютер? Кто будет на нем работать, с какой целью?
— У нас есть две задачи, которые мы перед собой ставим к 2030 году. Первая более простая, она связана с образованием и наукой. Она предусматривает создание облачной платформы, куда пользователь может зайти через свой ноутбук и начать работать на 20-кубитном квантовом компьютере — смотреть алгоритмы, их результаты, публиковать по ним научные статьи. Эта задача уже практически решена. Сейчас пока открытого доступа к платформе нет, чтобы каждый мог в нее войти и посчитать что-то, надо еще согласовывать программу исследований, но в принципе все готово.
А вторая задача гораздо более интересная и сложная — внедрение квантовых вычислений в прикладные сферы. Например, в фармацевтику для синтеза новых лекарственных веществ и предсказания молекул лекарств, в логистику портов, логистику движений людей или автомобилей в каком-то пространстве, кораблей по всему пути. В финансовую сферу — для оптимизации процессов инвестирования и управления рисками, повышения эффективности операций и обработки платежей.
Начнем с решения логистических задач внутри атомной отрасли. Там некоторые простые задачки решены, и, честно скажу, квантовые вычисления пока не дают в них никакого опережения по сравнению с классическими. Но люди учатся, смотрят, какие типы задач можно решать, как они потенциально могут быть масштабированы. К 2030 году уже будем ставить настоящие задачи. И хотя никто в мире еще не продемонстрировал, что квантовый компьютер способен приносить реальную пользу человечеству, ожидания от него очень высокие.
В ближайшей перспективе должны появиться устройства для квантовой связи, которую невозможно расшифровать, более мощные компьютеры, значительно опережающие классические, и устройства навигации для областей, где нет сигнала ГЛОНАСС и GPS. Что же касается глобальных перспектив — что все мы будем опутаны квантовыми проводами и квантовые приборы будут чуть ли не в каждом доме и даже в каждом кармане у человека, — пока это очень неопределенно. Через дистанционные сервисы, скорее всего, мы будем с ними соприкасаться, но на бытовом уровне они вряд ли будут настольно распространены, что вытеснят все, чем мы сейчас пользуемся. Однако скепсис по этому поводу не отменяет того факта, что развитие технологий идет очень быстро и эта научно-технологическая гонка ускоряется.
Источник: https://monocle.ru/monocle/2024/45/vdokhnovlennyye-prevoskhodstvom/
