В декабре 2025 года ученые Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) продемонстрировали самый мощный в России квантовый компьютер. Как функционирует этот вычислитель, насчитывающий 70 кубитов, и в чем его уникальность? Какие задачи он способен решать быть решены с помощью квантовых компьютеров? Как происходит развитие квантовых технологий в России и за рубежом? Этот вопрос обсудили участники пресс-тура, организованного в институте 10 февраля. Представители СМИ не только пообщались с создателями инновационных технологий, но и посетили лабораторию ФИАН, где установлен самый мощный компьютер.
К концу 2025 года на квантовом компьютере ФИАН, использующем ионную платформу и ранее показавшем рекорд в 50 кубитов среди отечественных разработок, был успешно создан квантовый регистр, состоящий из 70 кубитов. В настоящее время этот вычислитель признан самым производительным в России. Данная разработка является значительным прогрессом для нашей страны в международном соревновании в области квантовых технологий. Ее появление расширяет перспективы практического использования квантовых вычислений, так как для решения реальных задач квантовому компьютеру необходимо обладать достаточно большим числом кубитов.
«по словам академика, директора Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, 90% исследований в области квантовых вычислений в России реализуются в соответствии с планом «Квантовые вычисления Николай Николаевич Колачевский. Под его руководством был проведен контрольный эксперимент в декабре, который показал успешную работу 70-кубитного квантового компьютера.
Помимо ФИАН, важными участниками современной квантовой гонки являются Российский квантовый центр, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Национальный исследовательский технологический университет МИСИС и Московский физико-технический институт. Активное развитие квантовых технологий также наблюдается в научных группах Нижнего Новгорода.
Развитие отечественных исследований в сфере квантовых вычислений характеризуется значительным прогрессом. Если в 2020 году в распоряжении страны была лишь одна установка на сверхпроводниках, состоящая из двух кубитов, то в настоящее время в России функционируют квантовые компьютеры, основанные на четырех ключевых технологиях: ионной, сверхпроводниковой, атомной и фотонной. К настоящему моменту несколько установок достигли отметки в 70 кубитов.
Для начала необходимо объяснить, что кубит представляет собой базовую единицу информации в квантовых вычислениях. В отличие от бита, который является основной единицей информации в классических компьютерах, кубит не ограничен значениями «0» или «1». Вместо этого он существует во всех возможных состояниях в диапазоне от нуля до единицы одновременно. Данное явление известно как суперпозиция.
По мнению Н.Н. Колачевского, на сегодняшний день очевидно, что квантовые компьютеры нуждаются в сочетании значительного числа кубитов и высокой точности при выполнении двухкубитных операций — процессов, при которых состояние одного кубита связано с состоянием другого, с которым он находится в запутанном состоянии. Именно эту проблему необходимо решить для эффективной работы квантового компьютера. Некоторые специалисты полагают, что достижением важной вехи в развитии квантовых вычислений станет создание системы с 1 тыс. кубитов и точностью двухкубитных операций, составляющей 99,99.
В каких областях могут быть применены квантовые вычисления? Н.Н. Колачевский выделил три ключевые области, которые уже сейчас демонстрируют свою значимость. Прежде всего, это решение оптимизационных задач, затрагивающих логистику, финансы и машинное обучение; в качестве примера можно привести управление транспортными потоками при построении маршрутов на электронных картах с целью избежания пробок. Во-вторых, квантовые вычисления открывают широкие возможности для моделирования, например, при разработке новых материалов, лекарственных средств и химических соединений. И, наконец, перспективным направлением является развитие технологий передачи данных.
Старший научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН рассказал журналистам о 70-кубитном квантовом компьютере Илья Владимирович Заливако. Для записи и хранения информации в компьютерных устройствах применяют ионы иттербия-171.
«Известно, что электрон в атоме или ионе способен двигаться вокруг ядра по разным орбитам. Иными словами, он может обладать различными уровнями энергии. Одно из этих состояний принято называть «нулем», другое — «единицей». Следовательно, каждая частица может находиться в состоянии «0», «1» или находиться в состоянии суперпозиции, — пояснил И.В. Заливако.
Для управления системой используются высокоточно настроенные лазерные импульсы. Отличительной чертой установки является возможность кодирования не одного кубита, а сразу двух информационных единиц в каждом ионе. Такие системы получили название кудиты. Это облегчает расширение возможностей технологии. Благодаря именно такому методу в 2025 году ученым удалось реализовать самый крупномасштабный квантовый алгоритм.
Квантовый компьютер, разработанный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, базируется на цепочке, состоящей из 35 ионов иттербия. Эти ионы удерживаются в трехмерной ловушке, где расстояние между ними приблизительно равно 5 микрометров.
Н.Н. Колачевский указывал на то, что современный мир демонстрирует переход от трехмерных ионных ловушек к более компактным и передовым планарным конструкциям, известным как чип-ловушки. Активное развитие этих систем наблюдается у американских ученых, которые, наряду с Китаем, являются одними из лидеров в мировой гонке за квантовые технологии. В Физическом институте им. П.Н. Лебедева также ведутся работы по созданию планарных ловушек, и первые эксперименты по манипулированию ионами в таких структурах уже увенчались успехом.
Рассмотрим 70-кубитный вычислитель, разработанный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева. И.В. Заливако ознакомил гостей института с параметрами этого компьютера. При использовании всех 70 кубитов (хотя ученые могут, при необходимости, активировать лишь часть ионов в цепочке) точность вычислений составила 99,92% для операций с одним кубитом и 95,4% для операций с двумя кубитами. Кроме того, специалистам удалось обеспечить высокую степень взаимосвязанности кубитов. Для тестирования вычислительной системы на квантовом компьютере были запущены алгоритмы Гровера, Бернштейна-Вазирани и алгоритм подготовки GHZ состояния. Отчасти они связаны с практическими задачами: например, алгоритм Гровера связан с поиском по неупорядоченной базе данных, криптографией и оптимизацией. Но в целом намерения у исследователей в данном случае были другие: по сути, ученые предложили компьютеру задачи, на которые хорошо знали ответ, чтобы протестировать его возможности.
Какие факторы определяют, что квантовый компьютер, созданный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, является наиболее производительным в России? По словам ученых, для оценки необходимо учитывать совокупность его параметров. В частности, это оптимальное соотношение между точностью операций над парами кубитов и их общим числом. Существуют квантовые вычислительные системы, демонстрирующие более высокую точность при выполнении операций с парами кубитов, однако они ограничены меньшим количеством кубитов. Кроме того, вычислитель ФИАН обеспечивает наиболее эффективный контроль над состоянием системы при работе с 70 кубитами, что позволяет ему решать наиболее сложные задачи по сравнению с другими подобными устройствами.
Специалисты Физического института имени П.Н. Лебедева проводят активные испытания квантового компьютера, исследуя возможности его практического использования. Среди уже выполненных экспериментов – факторизация числа 1591 на простые множители, решение задач, связанных с квантовой химией, идентификация рукописных цифр и выявление патологий на рентгеновских снимках легких, а также решение задач, реализуемых в рамках проекта «Прорыв» госкорпорации «Росатом».
«На компьютере, разработанном в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, было протестировано значительное число квантовых алгоритмов. Позволю себе привести наиболее простые примеры. В первую очередь, это задачи, относящиеся к области квантовой химии. Так, нами была проведена компьютерная симуляция молекулы LiH и ее энергетический потенциал. Это важное направление, поскольку если бы речь шла об очень сложной молекуле из множества атомов и мы могли бы ее моделировать, то мы получили бы возможность сказать, устойчива она или нет. Это очень ценная информация для ученых, занимающихся синтезом новых молекул, и сегодня это отдельное большое направление исследований, — отметил Н.Н. Колачевский. — Вторым направлением является распознавание образов. В настоящее время эта технология широко применяется. Квантовые компьютеры только начинают развиваться в этой сфере, однако уже представляют собой функциональный, хотя пока и не самый мощный инструмент для решения подобных задач. <…> Здесь, в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, мы преимущественно сосредоточены на ионной платформе, но параллельно активно развиваем и технологию, основанную на нейтральных атомах. Предполагаю, что в течение года-двух мы сможем продемонстрировать квантовые вычислители, использующие нейтральные атомы, поскольку ведём совместные разработки с Московским государственным университетом».
Посетители института не просто изучили теоретические основы, но и узнали, как реализуется «квантовая мечта»: их ожидал осмотр лаборатории, где установлен 70-кубитный квантовый компьютер.
«Основным элементом квантового компьютера является магнитный экран, в котором размещена вакуумная камера с ионами, удерживаемыми в ловушке. Внутри камеры создается давление, не превышающее 10 -10 миллибар: ниже, чем в открытом космосе! Это позволяет избегать столкновений частиц внутри системы, грозящих разрушением квантового состояния ионной цепочки. Сама система работает при комнатной температуре, но ионы в ловушке охлаждаются с помощью лазеров до экстремально низких значений. Это необходимо для того, чтобы успешно проводить квантовые операции. Благодаря специальным камерам изображение ионов в ловушке выводится на монитор.
«По итогам вычислений, выполненных после запуска квантового алгоритма, мы можем определить результат. Для этого лазером подсвечиваются ионы, а с помощью камеры фиксируется, какие из них излучают свет, а какие — нет. Считается, что светящийся ион соответствует состоянию “0”, а не светящийся — состоянию “1”. Таким образом, мы считываем состояние квантового регистра», — пояснил И.В. Заливако.
Журналисты, посетившие пресс-тур, смогли пообщаться с учеными. Обсуждались различные вопросы, в том числе особенности кутрита, трудности, возникающие при увеличении числа кубитов в квантовом вычислителе, а также влияние развития квантовых компьютеров на биткойн и другие актуальные темы. Ответы на вопросы гостей института совместно с коллегами предоставил ведущий научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Александр Станиславович Борисенко.
Мероприятие состоялось при содействии Российской академии наук