Квантовый компьютер

1. Борьба за квантовое превосходство

Исследователи по всему миру работают над созданием квантовых компьютеров, которые позволят существенно ускорить вычисления. В гонке участвуют США, Китай, Евросоюз, а с недавних пор и Россия Мир перешел в новую эру компьютерных вычислений. Но это не точно. Двадцатого сентября на сайте NASA опубликовали доклад Google о создании сверхмощного квантового компьютера. Почти сразу документ удалили. Google и NASA отказались комментировать ситуацию, но многие успели с докладом ознакомиться. Он назывался «Достижение квантового превосходства с использованием программируемого сверхпроводникового процессора». Термин «квантовое превосходство» означает способность квантовых компьютеров решать задачи, которые обычные компьютеры выполнить не могут. «Насколько нам известно, в этом эксперименте впервые было произведено вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом компьютере», — говорилось в исчезнувшем документе.

Квантовому компьютеру Google якобы удалось за 200 секунд выполнить расчеты, на которые мощнейшему в мире суперкомпьютеру Summit потребуется десять тысяч лет. Эксперимент Google включал в себя решение задачи случайной выборки — проверки того, действительно ли набор случайных чисел случаен. Свое достижение компания назвала «поворотным моментом на пути к полноценным квантовым вычислениям». Однако, по мнению главы исследовательского подразделения IBM Дарио Гила, заявление Google о достижении квантового превосходства ошибочно. Гил считает, что система Google — это всего-навсего специализированная аппаратура, способная решать одну-единственную задачу, и ей далеко до разрабатываемого IBM универсального квантового компьютера.

2. Зачем миру квантовые компьютеры

Ожидается, что с помощью квантовых вычислений можно будет создавать модели городов и даже галактик, оптимизировать транспортные потоки, моделировать молекулы ДНК и новые материалы, делать финансовые прогнозы. Среди наиболее перспективных направлений — дешифровка и квантовая криптография, а также точная навигация, не требующая использования GPS.

Как рассказал генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, широко обсуждается вопрос о возможном применении квантовых компьютеров для синтеза материалов со свойствами сверхпроводимости при комнатной температуре, которые позволят нивелировать потери при передаче электроэнергии. Как пояснил г-н Юнусов, есть и перспективная область квантовых коммуникаций, которые в будущем могут использоваться для защиты национальных информационнотелекоммуникационных сетей, защиты информации для финансового сектора, государственных органов, крупных технологических компаний и держателей критической информационной инфраструктуры. Как субтехнологию выделяют квантовые сенсоры, которые могут найти применение сразу в нескольких областях: оборона и безопасность, навигация (космос, беспилотный транспорт), строительство, нефтедобыча,

Эти сферы применения критически важны для национальной безопасности государств. Показательно, что в США военные ведомства первыми начали финансировать исследования квантовых технологий — задолго до того, как в стране появилась федеральная программа развития квантовых вычислений и коммуникаций. «Мы видим, что это действительно прорывные технологии», — заявил Майкл Хейдук, глава подразделения компьютерных вычислений и коммуникаций исследовательской лаборатории ВВС США. Еще в 2013 году исследовательская лаборатория Армии США запустила программу выдачи грантов частным компаниям, ведущим разработки в области квантовых вычислений. На сайте американского Агентства передовых исследований в сфере разведки (IARPA) также указано, что ведомство спонсирует программы по исследованию квантовых технологий — в этих программах участвуют такие научные организации, как Калифорнийский университет в Беркли, Йельский университет, Университет Мэриленда, Делфтский технический университет (Нидерланды), Инсбрукский университет (Австрия), исследовательский центр IBM. Разумеется, суммы грантов от военных организаций в США строго засекречены.

3. Национальная квантовая инициатива США

Только в конце прошлого года Дональд Трамп подписал законопроект о Национальной квантовой инициативе. Согласно документу, в 2019–2023 годах различные американские ведомства (в частности, Национальный институт стандартов и технологий, Национальный научный фонд и министерство энергетики США) должны выделить 1,25 млрд долларов на развитие квантовых технологий. По словам Артура Хермана, научного сотрудника Института Хадсона, Национальная квантовая инициатива — крайне важный шаг. «До этого момента США оставались единственной технологически развитой страной, которая не разработала четкой стратегии для победы в квантовой гонке», — объясняет Херман. По его мнению, теперь США нужно активно догонять Китай, который вкладывает в развитие квантовых технологий в десятки раз больше: в ближайшие пять лет Китай планирует инвестировать в квантовые вычисления 10–15 млрд долларов.

В сентябре 2018 года правительство Китая анонсировало строительство крупнейшего в мире квантового исследовательского центра в провинции Хэфэй. На сооружение лаборатории потратят 10 млрд долларов, ее запуск запланирован на март 2020-го. Китай понимает, что квантовые технологии — это не только вычисления, но и квантовые коммуникации, и как раз в этой области страна далеко впереди. На Китай приходится почти в пять раз больше патентных семейств в квантовых коммуникациях и квантовой криптографии, чем на США.

Другие страны по этому показателю и вовсе отстают от Китая в десятки раз. Первым серьезным достижением Китая в области квантовых коммуникаций стал запуск в 2016 году первого в мире спутника квантовой связи «Мо-цзы». Кроме того, Китай запустил 2000- километровую сеть квантовой связи, соединяющую Шанхай и Пекин, — считается, что ее практически невозможно прослушать или взломать. Программы поддержки развития квантовых технологий есть и у других стран. Так, Великобритания с 2014 года выделяет из государственного бюджета средства на это направление — общая сумма инвестиций составляет 1,26 млрд долларов. Евросоюз в 2018 году запустил программу «Флагман квантовых технологий» с запланированным объемом инвестиций в миллиард евро. В рамках программы в течение десяти лет будут профинансированы более пяти тысяч исследователей квантовых технологий. Кроме того, крупные компании самостоятельно ведут исследования квантовых технологий — например, Google, IBM, Intel, Microsoft,

4. Великая квантовая революция

В конце августа был опубликован проект дорожной карты по развитию квантовых технологий в России, разработанной Московским институтом стали и сплавов (МИСиС). Российская дорожная карта разделяет квантовые технологии на три субтехнологии: квантовые вычисления (то есть как раз разработка квантовых компьютеров), квантовые коммуникации (криптография) и квантовые сенсоры и метрология (высокоточные измерительные приборы на основе квантовых эффектов). По мнению авторов документа, наиболее перспективны с коммерческой точки зрения квантовые коммуникации.

У России действительно есть серьезные наработки в этой области: в конце сентября, например, ученые из Казанского квантового центра протестировали квантовое шифрование на волоконнооптической линии связи протяженностью 143 километра и тем самым установили мировой рекорд. Для стратегических интересов России наиболее важны квантовые вычисления, по которым мы пока отстаем от других стран. Как объясняет Руслан Юнусов, степень готовности квантовых технологий определяется по шкале QTRL: уровень QTRL1 означает существование только теоретических разработок, а последний, девятый уровень — возможность квантового значимые алгоритмы.

В России реализованы только прототипы квантовых компьютеров с двумя кубитами и квантовые симуляторы с 10–20 кубитами, что соответствует уровню QTRL3–QTRL4. Глава РКЦ отметил, что наиболее перспективными платформами в мире считаются три: сверхпроводящие цепочки, нейтральные атомы и ионы в ловушках (уровень развития QTRL4–QTRL5). Эти направления достаточно сильно развиты в России (QTRL2–QTRL4). Квантовые 30–50-кубитные устройства, как указано в дорожной карте, должны появиться только в 2024 году. В том же 2024-м Россия должна решить задачу квантового превосходства, а для квантовых вычислений уже будет запущена облачная платформа. Общий объем инвестиций, предусмотренный документом, составляет 51 млрд рублей. Нужно понимать, что пока этот документ представляет собой лишь проект, который еще не начали реализовывать.

 А чтобы быть конкурентоспособной в области квантовых технологий, России надо действовать немедленно. СССР был одним из лидеров в этой сфере — все Нобелевские премии советских и российских физиков связаны именно с достижениями в квантовой физике, то есть как раз они и осуществляли «первую» квантовую революцию. В стране еще остались научные группы, специализирующиеся на квантовой физике, но им срочно нужна поддержка как со стороны государства, так и от коммерческих заказчиков. Как подчеркнул Руслан Юнусов, в России одним из критических барьеров развития квантовых технологий является недостаточная консолидация научно- технологического сообщества и отсутствие прочных связей с индустрией

5. Кубиты. Квантовая запутанность. Зацепленность

Квантовые компьютеры принципиально отличаются от традиционных ПК. Привычные нам компьютеры используют для хранения информации биты — поток электрических или оптических импульсов, представляющих значения 1 или 0. В основе же квантовых компьютеров лежат квантовые биты — кубиты. В отличие от обычных битов, для которых возможны только состояния 1 или 0, кубиты могут находиться еще и в суперпозиции — наложении этих состояний.

Чтобы поставить кубиты в состояние суперпозиции, исследователи используют точные лазеры и микроволновые лучи. Еще одно важное свойство кубитов — квантовая запутанность, или зацепленность. При этом явлении два или более объекта находятся в одном квантовом состоянии, и изменение состояния одного кубита мгновенно изменит состояние и другого, даже если их разделяет большое расстояние. Благодаря суперпозиции и квантовой зацепленности группа кубитов может обеспечить существенно большую вычислительную мощность, чем то же количество обычных бинарных битов.

Однако у кубитов есть еще одно свойство, из-за которого квантовые компьютеры значительно больше подвержены ошибкам, чем обычные ПК. Это декогеренция — взаимодействие кубитов с окружающей средой, которое приводит к тому, что они перестают проявлять квантовое поведение. Квантовое состояние кубитов крайне неустойчиво: малейшая вибрация или шум могут привести к тому, что кубиты выйдут из суперпозиции до того, как закончат выполнение вычисления. Сейчас исследователи квантовых технологий работают над тем, чтобы защитить кубиты от внешнего воздействия, — для этого их помещают в суперохлаждаемые холодильники и вакуумные камеры.