С момента демонстрации работы первого в России двухкубитного квантового процессора – устройства, использующего явления квантовой физики для решения вычислительных задач, – в рамках проекта «Лиман» прошло почти четыре года. Проект «Лиман» стал уникальной кооперацией, в которую входили, с одной стороны, Министерство образования и науки, Фонд перспективных исследований, ГК «Росатом» и, с другой стороны, ведущие университеты и научные центры в области квантовых технологий. Результаты работы проекта сыграли важнейшую роль для формирования отрасли квантовых вычислений в России по нескольким причинам.
Визит Президента РФ В.В. Путина в Центр НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС. Источник фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Во-первых, стало понятно, что в России набрана критическая масса компетенций в области создания сверхпроводниковых квантовых процессоров. Квантовый процессор – устройство для реализации вычислений на основе управления отдельными квантовым системами. На сегодня существует несколько способов реализации квантовых процессоров, одним из которых является использование сверхпроводниковых контактов – микроскопических сверхпроводящих структур. Такой подход был выбран многими индустриальными лидерами по всему миру, например, компанией Google, IBM и Alibaba. К ключевым преимуществам сверхпроводникового вектора развития квантовых вычислений стоит отнести их технологичность, так как структуры создаются при помощи хорошо разработанной технологии литографии, и сочетание высокой скорости и качества квантовых операций. Безусловно, есть и свои вызовы, например, совершенствование технологии разработки идентичных кубитов (так как любые дефекты приводят к дополнительным ошибкам).
Во-вторых, сеть взаимодействующих организаций, в которую входили НИТУ МИСИС, ВНИИИ им. Духова, МФТИ, НГТУ и Российский квантовый центр, в рамках проекта «Лиман» наладила разработку и тестирование сверхпроводниковых квантовых чипов, а также впервые в России провела работу по демонстрации алгоритма Гровера – квантового алгоритма для поиска в неупорядоченной базе данных.
В 2019 году была разработана Дорожная карта развития квантовых технологий, направленная на масштабирование квантовых процессоров: увеличение количества кубитов и качества квантовых операций. С 2020 года началась реализация Дорожной карты по квантовым вычислениям, за реализацию которой отвечает ГК «Росатом». Помимо сверхпроводниковых квантовых процессоров развиваются и другие платформы для квантовых вычислений, например, нейтральные атомы, ионы и оптические кубиты. Были продемонстрированы шестнадцатикубитные квантовые процессоры на ионах и нейтральных атомах, а также восьмикубитные сверхпроводниковые процессоры. Но можно ли считать, что на этом этапе основные научные задачи решены и развитие квантовых технологий переходит полностью в плоскость инженерных разработок? Оказывается, что ряд актуальных задач требует смены парадигмы.
Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСИС. Источник фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Проблема масштабирования
Квантовый компьютер необходим для решения определенных классов задач, для которых принципиально невозможно эффективно применять привычные нам классические компьютеры и суперкомпьютеры. Первоначальная идея, возникшая на заре развития квантовых вычислений, состояла в том, чтобы использовать квантовый компьютер для моделирования других квантовых систем, например, молекул и материалов, – это была концепция, высказанная Ричардом Фейнманом в начале 1980-х. Задачи моделирования материалов крайне важны для многих практических применений, например, в авиационной отрасли, а моделирование молекул принципиально важно для фармакологии. Однако уже в это же время анализом потенциала применения квантовых систем для вычислений в гораздо более широком контексте занимался Юрий Манин. В его книге «Вычислимое и невычислимое», опубликованной в 1980 году, обсуждалось, что большие квантовые системы крайне затруднительно анализировать с помощью классических компьютеров – возможность находиться в нескольких состояниях (квантовая суперпозиция) и проявление корреляций между объектами квантовой природы (квантовая запутанность) приводят к тому, что количество ресурсов (времени и памяти) для вычислений свойств квантовых систем растет экспоненциально. Начиная с 1990-х формализация идей Манина и Фейнмана привела к бурному исследованию квантовых алгоритмов: появились идеи использования квантовых компьютеров для решения криптоанализа, оптимизации, решения линейных уравнений и т.д.
Однако каждая из этих задач требует большого количества кубитов – базовых вычислительных элементов квантового компьютера. Банковские транзакции. Например, для взлома алгоритма RSA-2048, который сегодня используется для криптографической защиты информации, с помощью известного квантового алгоритма Шора необходимо 20 миллионов кубитов, тогда как наиболее мощные на сегодняшний день квантовые вычислительные устройства оперируют сотнями кубитов. Другим примером применений квантовых компьютеров является моделирование. Например, с помощью квантовых алгоритмов можно рассчитывать параметры сложных молекул, а в перспективе – значительно ускорить решение задач вычислительного материаловедения. Однако для демонстрации вычислительного преимущества в этих задачах также требуются сотни тысяч и миллионы кубитов.
Так что для решения практических задач необходимо значительно увеличить количество кубитов – т.е. масштабировать квантовый компьютер. Важная задача при этом не потерять качества контроля над кубитами. Только одновременное увеличение количества кубитов и качества операций с ними – залог роста мощности квантовых компьютеров, приближающего их к решению практических задач.
Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСИС. Источник фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Поиск идеальной системы
Сегодня несколько физических платформ борются за статус лидера в области квантовых вычислений. Серьёзные результаты достигнуты в экспериментах со сверхпроводниковыми кубитами, а также нейтральными атомами, ионами и фотонами. Также активно развиваются полупроводниковые кубиты – их серьезным преимуществом – как и в случае сверхпроводниковых квантовых процессоров – может быть существующая технологическая база для классических процессоров.
Однако каждая из вышеупомянутых платформ сталкивается с проблемой сохранения качества контроля при увеличении количества кубитов. Использование в качестве кубитов ионов в ловушках позволяет достичь высокого качества квантовых операций, однако количество одновременно контролируемых кубитов-ионов в ловушке порядка 20 и, по всей видимости, может быть увеличено до 50-100. Для нейтральных атомов количество может быть выше, уже показаны эксперименты с 256 атомными кубитами, однако качество операций значительно ниже ионов и сверхпроводников. Недавно анонсированные сверхпроводниковые процессоры IBM имеют 127 и 433 кубита, однако в случае с 127 кубитами качество операций не позволяет решать задачи быстрее классического компьютера, а параметры 433-кубитного процессора пока неизвестны.
Вполне возможно, часть проблем можно будет решить при помощи новых подходов к созданию кубитов. Если большинство сверхпроводниковых процессоров в мире используют так называемую архитектуру трансмона, то группой исследователей из НИТУ МИСИС, РКЦ МФТИ, ВНИИА им. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана была продемонстрирована новая система – кубиты флаксониумы с высоким качеством квантовых операций. Близкие результаты были показаны компанией Alibaba.
Однако можно предположить и другой сценарий, в котором в рамках развития существующих платформ мы увидим определенные пределы для масштабирования. Неизвестно, носят ли эти пределы фундаментальный характер и насколько можно продвинуться дальше, но очевидно, что нужны новые идеи. Одной из идей может стать создание сетей взаимосвязанных квантовых процессоров промежуточного масштаба.
Лаборатория квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС. Источник фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Квантовый интернет
В 2016 году в журнале Scientific American была сформулирована новая концепция будущего квантового компьютера. Авторы статьи предлагали при следующем полете на самолете нам заглянуть в журнал авиакомпании. Там мы бы увидели, что авиалинии не связывают напрямую каждый город с каждым другим, потому что логистика и накладные расходы были бы крайне высокими. Вместо этого они используют центральные «аэропорты-хабы» для создания сетей непрямых соединений. Отказ от прямого подключения позволяет им расширять и управлять гораздо большей сетью пунктов назначения.
Так что представления о квантовом процессоре как о едином локальном устройстве при их масштабировании могут быть пересмотрены. Технология квантового интернета, т.е. возможности соединять квантовые устройства в сети с использованием квантовых коммуникаций (передачи квантовых состояний), позволит увеличить мощность квантовых процессоров не только за счет увеличения количества кубитов в каждом отдельном процессоре, но и за счет связи нескольких процессоров между собой. Таким образом квантовый процессор будет состоять из нескольких «квантовых хабов», соединенных квантовыми коммуникациями. Важно отметить, что при соединении классических компьютеров в сеть их мощности складываются. А при соединении квантовых компьютеров в квантовую сеть их мощности перемножаются. Это дает колоссальный ресурс для решения вычислительных задач.
В 2021 году было проведено несколько экспериментальных демонстраций базовых принципов квантового интернета, в том числе для модульных сверхпроводниковых квантовых устройств. Дальнейший прогресс в этой области стратегически важен для квантовых технологий, а потому комплекс проектов в этой области вошел в Программу развития Университета МИСИС на 2021–2030 гг. Оба ключевых для квантового интернета направления успешно развиваются вузом в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», которая разрабатывает квантовые устройства на основе сверхпроводниковых кубитов, а также в Центре НТИ «Квантовые коммуникации», создающем технологии для квантовой передачи данных с целью защиты информации. Концепция «квантового интернета» также обсуждается как идея для следующих Дорожных карт по квантовым вычислениям с горизонтом 2030 года.
Лаборатория квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС. Источник фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Управление квантовыми системами
Помимо «железа» сети квантовых коммуникаций и технология квантового интернета требуют создания новых алгоритмов, протоколов и методов управления. Наработанный опыт классических телекоммуникаций не всегда может быть напрямую использован в квантовых сетях, а потому требуются глубокие исследования. В области «квантового софта» задачи состоят в том, чтобы разработать протоколы квантовых коммуникаций для связи квантовых компьютеров и новой архитектуры квантовых вычислительных устройств, а также изучить динамику сложных квантовых систем и передачу информации в них. В рамках программы развития в Университете МИСИС также развивается и это направление: уже показаны новые протоколы генерации запутанных состояний и разрабатываются квантовые алгоритмы для решения прототипов прикладных задач, например, из области химии и оптимизации.
Что дальше?
Квантовые технологии, по оценкам экспертов, могут изменить наш мир еще более значительно, чем его изменили традиционные персональные компьютеры и интернет. В ближайшие десятилетия прогнозируется промышленное применение квантовых компьютеров для ускорения практических задач, например, оптимизации, моделирования и машинного обучения. Однако для полноценного масштабирования квантовых технологий нужны долгосрочные исследовательские программы, направленные на исследование новых принципов и архитектур, которые могут сыграть решающую роль для повсеместного внедрения и использования квантовых технологий. Такой областью – источником вдохновения для новых идей в перспективе 10 лет с высокой вероятностью станет квантовый интернет.
Авторы статьи:
С.В. Салихов, к.ф.-м.н., первый проректор Университета МИСИС
А.К. Федоров, PhD, директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС
Информация и фото предоставлены пресс-службой НИТУ МИСИС