В России создан прототип квантового компьютера

«Национальная квантовая лаборатория» сообщила о создании прототипа 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».

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 53 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».