Журналистам была предоставлена возможность познакомиться с миром квантовых вычислений Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и госкорпорация «Росатом» 18 сентября. Гости узнали, как развивается отечественный Квантовый проект, от ведущих специалистов отрасли и вживую познакомились с 50-кубитным квантовым компьютером на ионной платформе — самым мощным в стране. О том, как прошла и чем запомнилась «экскурсия в будущее», — материал «Научной России».
Российский квантовый проект направлен на достижение передовых результатов в сфере квантовых вычислений. План мероприятий, реализуемый с 2020 года под руководством «Росатома», уже демонстрирует значительные успехи: за прошедшие годы Россия смогла достичь результатов мирового уровня в области квантовых вычислений, начиная практически с нуля.
Участникам мероприятия представили информацию о прогрессе Квантового проекта. С докладами выступили директор по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», кандидат физико-математических наук Екатерина Борисовна Солнцева и директор ФИАН, научный руководитель дорожной карты «Квантовые вычисления» академик Николай Николаевич Колачевский. Встреча состоялась в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, где трудились многие известные ученые, чьи работы стали фундаментом для развития квантовых технологий. Ведущей встречи выступила представитель госкорпорации «Росатом» Юлия Вячеславовна Покровская.
«Квантовый компьютер принципиально отличается от привычных нам компьютеров, подобно тому, как современные компьютеры превосходят счеты. Современные вычислительные машины, по сути, используют ту же двоичную систему, то есть представляют собой весьма продвинутые счеты. Однако квантовый компьютер – это совершенно иная технология, открывающая возможности для решения задач, недоступных ранее. Квантовый компьютер позволит находить решения для задач, требующих длятся годы расчетов на самых мощных современных суперкомпьютерах, — отметила Е.Б. Солнцева.
В обычных компьютерах наименьшей единицей информации является бит, который принимает значения «0» или «1». В квантовых вычислениях ситуация иная: здесь единицу информации называют кубитом (от английского «квантовый бит»), и, если говорить упрощенно, он может одновременно находиться во всех состояниях между нулем и единицей. Эта особенность получила название суперпозиция. Можно провести аналогию с подброшенной монеткой — пока она вращается, мы не можем определить, какой стороной она повернута вверх в данный момент — «орлом» или «решкой», поскольку стороны кажутся объединенными. Однако, как только монета ложится, становится виден результат — и подобным образом можно «разрушить» состояние суперпозиции, проведя наблюдение за квантовой системой. Поэтому, при выполнении расчетов квантовым вычислителем, за его внутренними процессами нельзя следить, так как это нарушит функционирование компьютера. Специалисты считывают состояние системы только в перерывах между запусками алгоритма, когда машина находится в состоянии покоя».
Одним из ключевых аспектов квантовых вычислений является явление запутанности. Когда две квантовые системы оказываются взаимосвязанными, они поддерживают эту связь вне зависимости от расстояния между ними. Изменение состояния одной системы мгновенно отражается на состоянии другой. Именно благодаря этой взаимозависимости осуществляется передача информации между кубитами.
Благодаря феноменам суперпозиции и запутанности квантовые компьютеры способны выполнять вычисления значительно быстрее, чем классические вычислительные машины.
«Применительно к квантовому компьютеру, важно не скорость выполнения отдельной операции, а возможность решения задачи меньшим количеством операций. В связи с этим, обсуждение тактовой частоты квантового компьютера не имеет смысла, поскольку она крайне мала. Однако суть квантового компьютера заключается в том, чтобы, например, вместо 10 9 шагов сделать 103», — уточнил высококвалифицированный научный сотрудник Физического института имени П.Н. Лебедева РАН Илья Александрович Семериков. Данная премия в области перспективных технологий «Вызов» была присуждена ученому за разработку ионного квантового компьютера с 20 кубитами.
Не все задачи можно решить быстрее с помощью квантового компьютера. Это справедливо лишь для тех, которые поддаются решению методом перебора. Поэтому, квантовые вычислители не заменят классические: они будут использоваться для решения специфических, сложных задач. Подобно тому, как создание космических кораблей не сделало ненужными автомобили.
«По мнению Е.Б. Солнцевой, традиционные компьютеры не утратят своей актуальности, и, скорее всего, квантовые вычислительные системы будут представлять собой гибридные решения. Она также представила журналистам обзор трех направлений развития технологий в сфере квантовых вычислений: универсальные квантовые компьютеры, предназначенные для решения широкого спектра задач, специализированные квантовые компьютеры, ориентированные на выполнение конкретной задачи, и квантовые эмуляторы – программное обеспечение, моделирующее работу квантового компьютера и позволяющее запускать его на обычном компьютере.
Когда начинался Квантовый проект, в России был только один вычислитель — двухкубитный, использующий сверхпроводники. В настоящее время в России функционируют универсальные квантовые компьютеры, основанные на всех четырех ключевых технологиях: ионной, фотонной, атомной и сверхпроводниковой. Помимо России, аналогичным набором оборудования обладают только Соединенные Штаты Америки и Китай.
На текущий момент самый производительный российский квантовый компьютер, основанный на ионной платформе и состоящий из 50 кубитов, разработан специалистами ФИАН и Российского квантового центра при участии И.А. Семерикова, лауреата премии «Вызов». Летние испытания системы прошли в 2025 году. В настоящее время вычислительные машины с мощностью 50 кубитов и выше доступны лишь в семи государствах, и Россия входит в их число, занимая шестое место.
«По мнению Е.Б. Солнцевой, достижение квантового превосходства с использованием до 50 кубитов представляется теоретически невозможным. Даже самый совершенный квантовый компьютер, оснащенный 40 кубитами, не демонстрирует превосходящую скорость по сравнению с современными суперкомпьютерами.
Репортеры посетили самое мощное квантовое вычислительное устройство в стране. В классических компьютерах бит реализуется посредством полупроводникового транзистора, в то время как в квантовых системах, использующих ионную платформу, для кодирования информации, как следует из названия, применяются ионы. Различные внутренние электронные состояния этих частиц соответствуют значениям «0» и «1» и управляются лазерным излучением.
«Мы записываем информацию <…> посредством энергетических состояний ионов. Если говорить упрощенно, это означает, что электрон находится на различных орбиталях», — уточнил И.А. Семериков.
«Когда электрон находится на одной орбите, это соответствует состоянию “0”. Состояние “1” подразумевает вращение электрона по другой орбите. С помощью лазерного импульса, изменяя его продолжительность, можно добиться полного перехода электрона с одной орбиты на другую или создать суперпозицию — одновременное нахождение между нулем и единицей. Однако, как только мы определяем его состояние, оно становится четким», — отметил старший научный сотрудник ФИАН Илья Владимирович Заливако.
В 50-кубитном вычислителе ФИАН вычислениями занимается цепочка из 25 ионов иттербия-171, расположенных в особой ловушке. Для обеспечения работы ионы охлаждаются почти до абсолютной нулевой температуры. Отличительной чертой этого компьютера является применение для вычислений более продвинутой технологии, чем в стандартных кубитах.
«Кубит формируется внутри отдельного иона. Это два энергетических уровня. Однако, в каждом ионе используются не два, а сразу четыре уровня. Следовательно, в каждой частице кодируется не один кубит, а два. Это явление получило название «кудит». Это решение облегчает масштабирование и открывает возможности для реализации дополнительных алгоритмов, — подчеркнул И.А. Семериков. Значительный вклад в развитие кудитной технологии внес коллектив под руководством руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра А.К. Федорова.
Недавно ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) установили мировой рекорд, создав самый крупный квантовый алгоритм на 50-кубитном вычислителе с использованием кудитов. Для выполнения логической операции было задействовано десять ионов — использование обычных кубитов для вычислений привело бы к невозможности достижения такой мощности из-за снижения точности результата. Статья о прорыве была опубликована в престижном журнале Physical Review Letters.
«Мы разработали весьма интересное решение, которое оказалось более применимо для практических задач, чем для фундаментальных исследований. При поиске информации в базах данных необходимо учитывать состояние всех остальных кубитов при управлении одним из них. Подобные операции, требующие участия значительного количества кубитов, весьма затратны. Если решать эту задачу напрямую, то можно использовать не более пяти кубитов. При превышении этого количества достоверность стремится к нулю. Благодаря использованию кудитной архитектуры нам удалось увеличить число участвующих частиц до десяти, что является мировым рекордом. Я рад отметить, что это научное и алгоритмическое достижение открывает серьезные возможности для практического применения, поскольку оно позволяет масштабировать [технологию]», — поделился Н.Н. Колачевский.
По словам директора ФИАН, при испытаниях 50-кубитного вычислителя решались задачи, включающие квантовую химию, распознавание простых изображений, таких как снимки патологий грудной клетки и рукописные цифры «0» и «1», а также факторизацию чисел на простые множители.
Михаил Алексеевич Кольченко, главный эксперт «Росатом Квантовые технологии», рассказал о сферах, где квантовые вычисления пользуются наибольшим спросом. К числу наиболее перспективных направлений использования этих технологий относятся криптоанализ, оптимизация производства, инженерное проектирование, а также медицина и биоинформатика. Квантовые инновации начинают активно внедряться в компаниях различных отраслей.
«В Университете Торонто разработана квантовая генеративная модель, предназначенную для поиска ингибиторов онкогена K-Ras. Этот онкоген уже два десятилетия был известен, однако эффективного лекарства против него не удавалось найти. Благодаря использованию нейросети удалось выявить 15 многообещающих молекул, и две из них, после синтеза, продемонстрировали превосходящую эффективность по сравнению со всеми существующими медикаментами, как отметил М.А. Кольченко.
Квантовые вычисления имеют огромный потенциал в разработке новых лекарственных средств. Генеративные квантовые нейросети требуют ограниченного объема данных для обучения, что особенно важно, поскольку информации для тренировки искусственного интеллекта, занимающегося созданием лекарств, обычно недостаточно. По мнению Е.Б. Солнцевой, развитие квантовых технологий может стать катализатором для индустрии персонализированной медицины.
В России госкорпорация «Росатом» начала применять квантовые вычисления для решения реальных задач. Для тестирования новой технологии используются различные задачи, включая оптимизацию производственных процессов и проведение базовых теплофизических и химических расчетов. Наибольшие сложности пока возникают именно с последними.
«Мы предприняли попытку решить определенную задачу в области химии, однако пока это не принесло значительных успехов. Сейчас мы ищем способы корректно сформулировать задание, чтобы преобразовать его в язык квантовых вычислений. Существует определенная специфика, поскольку связь между специалистами, способными проводить вычисления на квантовом компьютере или его эмуляторе, и прикладными разработчиками, имеющими собственные задачи, в настоящее время весьма слабая. Это обусловлено недостатком экспертов, способных точно определить, что требуется от квантового компьютера от пользователей», — сообщил директор по цифровизации проектного направления «Прорыв» госкорпорации «Росатом» Андрей Юрьевич Федоровский.
Журналистам удалось посетить лабораторию, где расположен менее производительный прототип 50-кубитного квантового компьютера. По словам И.А. Семерикова, для решения различных задач ученые применяют два вычислителя из ФИАН. На ранней версии машины ведется работа над повышением точности расчетов, а на новой установке – над увеличением количества кубитов.
По мнению исследователей, ключевой задачей для прогресса в области квантовых вычислений является увеличение времени когерентности, которое определяет продолжительность сохранения вычислительным устройством возможности выполнения алгоритмов.
Посетители также ознакомились с другими работами ФИАН, посвященными квантовым технологиям. Денис Андреевич Мишин, младший научный сотрудник института и член группы, возглавляемой кандидатом физико-математических наук А.А. Головизиным, продемонстрировал оптические часы, созданные на основе атомов тулия, которые позволяют проводить измерения времени с исключительной точностью. Данная разработка может найти применение в совершенствовании навигационных систем и проведении фундаментальных научных изысканий.
«Основное преимущество атомов тулия, на которое мы ориентируемся, заключается в их незначительной зависимости от влияния температуры. В настоящее время в мире ведутся интенсивные исследования со стронцием и иттербием, и большинство лабораторий предъявляют повышенные требования к охлаждению окружающей среды. «Мы работаем при комнатной температуре», — отметил ученый. В будущем планируется использование установки для изучения изменений в течении времени под воздействием гравитации.
Христина Смазнова, аспирант ФИАН, продемонстрировала журналистам еще одну занимательную разработку – квантовый симулятор, основанный на гетероатомном массиве. Данная система позволяет создавать искусственные модели взаимодействия между атомами, что открывает возможности для создания новых материалов.
Первая встреча Квантового клуба журналистов состоялась в Физическом институте имени П.Н. Лебедева. Этот проект «Росатома» направлен на популяризацию информации о российских квантовых технологиях. В дальнейшем планируется обсудить с представителями СМИ передовые разработки, включая квантовый искусственный интеллект и нейроморфные вычисления.