Сверхбыстрые кванты: ускорение вычислений на сотни миллиардов лет

Стремительному развитию квантовых компьютеров мешают проблемы с оборудованием и кадровый голод
Образец интегральной схемы на основе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе
Образец интегральной схемы на основе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе /МФТИ

Хайп вокруг квантовых компьютеров (КК) возник еще в середине 1990-х гг. Тогда американский математик Питер Шор показал, что они быстрее обычных компьютеров взламывают систему шифрования RSA. Алгоритм RSA широко распространен и используется, например, министерством обороны США. Он же применяется в защищенных интернет-протоколах SSL и TLS. Разведка и злоумышленники могут перехватывать зашифрованные сообщения и хранить в надежде, что в будущем появятся КК для их расшифровки. Кроме того, свойства КК позволяют им решать определенные задачи, на которые у классических компьютеров ушли бы квадриллионы лет.

Несмотря на то что за почти 30 лет человечество нашло ответы на множество вопросов, связанных с созданием полноценного КК, до его практической реализации пока еще далеко: по самым скромным подсчетам – 5 лет. Мировые светила физики почти ежегодно получают Нобелевские премии за решение задач, приближающих квантовую эру вычислений. Пока эти наработки можно сравнить с первыми ламповыми компьютерами. В России отдельные разработки КК велись до 2020 г., когда была принята дорожная карта развития квантовых технологий, за исполнение которой отвечает «Росатом». Эксперты рассказали о том, как правильно сравнивать между собой КК, где они могут пригодиться и как Россия может обогнать нынешних лидеров в этой области. Пока наша страна в роли догоняющей, однако недавно президенту России Владимиру Путину был представлен 16-кубитный КК, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области 2019 г.

Зачем это нужно

Сейчас Российский квантовый центр (РКЦ) работает над предоставлением облачного доступа к российским квантовым компьютерам. Руководитель Совместной научной лаборатории квантового ИИ «Росатома» и РКЦ Алексей Федоров полагает, что КК поможет исследователям, заинтересованным пользователям и индустрии решать важные задачи. КК полезен в логистике и финансовой отрасли, задачах моделирования технологических процессов и анализа больших данных в нефтегазовом секторе, а также поможет разработкам в квантовой химии (моделирование новых соединений, поиск лекарств), биоинформатике и криптоанализе. «Мы будем ориентироваться на запросы рынка и создавать гибкую систему, постараемся сделать облачную платформу доступным и полезным инструментом как для студентов, так и для крупного бизнеса», – добавил он.

Квантовые вычисления являются принципиально вероятностными, а банки зарабатывают на расчете рисков, то есть возможности наступления негативных событий. Поэтому применение квантовых компьютеров позволит улучшить риск-модели и ускорить обработку больших данных, рассказал квантовый энтузиаст, директор по цифровому развитию Делобанка Антон Семенников. Когда же технология получит широкое распространение, можно ожидать снижения ставок в экономике за счет более качественного расчета рисков, добавил он.

«Однако пока говорить об этом рано. Требуется не только создать действующий квантовый компьютер, но и разработать соответствующие алгоритмы и программное обеспечение. У России большой научный потенциал в области математики, программирования, физики и квантовой механики», – считает Семенников.

На квантовый мир мы смотрим с позиции разработчика, рассказал заместитель генерального директора холдинга Т1 по технологическому развитию Антон Якимов. «Мы проводим регулярный скрининг достижений в создании квантовых компьютеров и по его итогам определяем для себя проекты, в которых можем экспериментировать с квантовыми вычислениями», – пояснил он.

Квантовый объем 100-200 кубитов не кажется недостижимым для 2025 г., полагает Якимов. Однако, по его мнению, вопрос больше в практической плоскости: через какое время такие облачные вычислительные мощности станут доступны для рынка на понятных условиях по модели Quantum-Computing-as-a-Service. Имеется в виду то, над чем сейчас работает РКЦ.

Как же это работает

Какие же свойства так привлекают исследователей со всего света? В классическом компьютере единицей хранения информации является бит, который в зависимости от наличия или отсутствия напряжения принимает значение 0 или 1.

В КК роль основной единицы в квантовых вычислениях играют квантовые биты, или кубиты. Они отличаются от обычных битов тем, что могут равняться 0, 1 или находиться в суперпозиции.

Что такое квантовая суперпозиция, чаще всего объясняют на примере подброшенной в воздух монетки. Пока она летит, для бросавшего монета находится в суперпозиции: ее значение и орел, и решка. Суперпозиция сохраняется, пока монетку не поймали и не определили, что выпало. Еще один пример – кот Шредингера. Суперпозиция – это состояние кота, пока не открыли крышку ящика, то есть кот жив и мертв одновременно.

В КК суперпозиция сохраняется, пока не производится вычисление кубита, или измерение его состояния: 0 или 1. Именно благодаря этому свойству расчеты на КК производятся быстрее, чем на классических компьютерах.

Однако для выполнения сложных алгоритмов на КК важно, чтобы значения одних кубитов были связаны со значениями других. В этом помогает такое явление, как квантовая запутанность. В нем состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимосвязанными и их значения всегда противоположные. Если у одной частицы значение 0, то у другой, «запутанной» с ним, гарантированно будет 1.

Нередко для объяснения запутанности приводится пример с новой парой носков, когда один, надетый на левую ногу и ставший левым, автоматически превращает свою пару в правый, как бы далеко тот ни находился, причем происходит это моментально.

Как сравнивать

Многие мировые корпорации громко заявляют о прорывах в создании КК. Одни говорят о рекордном числе кубитов, другие – о рекорде связанных кубитов, третьи – о рекордной когерентности. Что скрывается за этими рекордами и почему оценивать мощность КК стоит по квантовому объему?

Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Чем больше число кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Если в обычной системе вычислительная мощность растет квадратично, то есть n2, то в квантовой – экспоненциально 2n (n – в данном случае число битов, или кубитов). При этом важно, сколько времени кубиты могут проводить операции без потери информации.

Это время называется когерентностью. Если поделить время двухкубитной операции на когерентность, то получится количество операций, которые можно совершить за цикл жизни кубита. Соответственно, чем больше операций, тем лучше.

Однако, в отличие от классических компьютеров, для КК очень важным параметром является достоверность полученных результатов, потому что его физические свойства подразумевают вероятностный характер вычислений: результат правильный с некоторой вероятностью. Если точность операций низкая, то прирост вычислительной мощности за счет увеличения числа кубитов будет незначительным.

У каждого типа КК свои преимущества и недостатки. Например, КК на ионах обладает очень высокой точностью и когерентностью, но скорость операций и число кубитов пока невелики. КК на сверхпроводниках имеет самое большое число кубитов на сегодня, но из-за особенностей технологии их точность, как правило, невысокая. Соответственно, некорректно называть их самыми мощными. Для сравнения разных типов КК между собой был предложен квантовый объем. Если говорить упрощенно, он отражает реальную вычислительную «мощность» квантового компьютера.

Где сейчас и как ускориться

В России сейчас активно разрабатываются все основные типы квантовых компьютеров: на ионах, атомах, оптических интегральных схемах и на сверхпроводниках. Самый мощный КК в стране построен на ионах и насчитывает 16 кубитов. Заместитель руководителя группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков, который разрабатывает этот КК, рассказывает: «Нам еще только предстоит измерить экспериментально квантовый объем нашего ионного компьютера, но, судя по достоверностям двухкубитных операций и связности, я бы ожидал увидеть 25 или, может быть, 26. Увеличение квантового объема – наша основная задача на сегодня». Такие результаты соответствуют уровню лидеров квантовой гонки начала-середины 2020 г.

Текущий рекорд по квантовому объему по состоянию на июль 2023 г. принадлежит ионному Quantinuum H от американской корпорации Honeywell. Он составляет 219, или 524 288. Это означает, что компьютер может выполнять сложные квантовые алгоритмы с высокой точностью.

РКЦ в конце 2021 г. зарегистрировал патент на уникальную архитектуру квантового компьютера, которая позволяет эффективно масштабировать КК и увеличить точность операций. К недостаткам модели относилось меньшее время когерентности, но на сегодня эта проблема решена, сказал Семериков.

Текущая точность квантового компьютера РКЦ находится на уровне ведущих компаний 2018-2019 гг. По словам Семерикова, сейчас команда активно работает над ее повышением.

МФТИ создал рабочий квантовый чип, выполненный на сверхпроводниках, на 8 кубитах. Сейчас тестируется на 12 кубитах. «У института есть своя чистая зона, где мы производим чипы. Оборудование для этого было закуплено еще в 2016 г.», – рассказал научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.

Важно, что точность российского сверхпроводникового КК на однокубитных операциях – 99,97%, одна из лучших в мире, на двухкубитных – 99,2% (компании же стремятся достичь точности в 99,9999%). Но сохраняются сложности с масштабированием и улучшением этого типа КК.

Разработчики российских КК сходятся во мнении, что для ускорения разработки квантового компьютера, кроме отдельных проблем, необходимо решать вопрос с кадрами и популяризировать квантовые технологии среди молодежи и в научной среде. Помимо государственного и частного финансирования лабораторий, создающих квантовые компьютеры, уже сейчас нужно готовить компетентные кадры и учебные материалы для разработки квантового «железа» и ПО, рассказал Якимов.

Помимо этого существует проблема с закупкой оборудования. «Чтобы догнать лидеров в квантовой гонке, нам нужно собрать несколько новых установок и реализовать хотя бы часть своих идей. Сколько это займет времени в России, зависит от скорости закупки оборудования и от того, насколько мы будем успешны в попытках построить масштабируемый квантовый компьютер», – сказал Семериков. Для ускорения закупок нужно минимизировать соответствующие бюрократические процедуры, добавил он.

Также российским ученым не хватает элементной базы (электронных компонентов, лазеров, литографов для квантовых микропроцессоров, средств измерения, охлаждения и т. д.) для создания квантового компьютера. «Нужен какой-то качественный прорыв в элементной базе КК, тогда можно будет говорить про квантовый компьютер, способный, например, взломать систему шифрования RSA», – сказал Глеб Федоров.

Возможное решение этой проблемы Федоров видит в международном сотрудничестве с восточноазиатскими странами. «В начале июля 2023 г. мы были в Китае, общались с руководителем китайского проекта, посвященного разработке масштабных сверхпроводниковых квантовых процессоров. По моему мнению, именно в коллаборации с китайскими научными и инженерными группами можно будет преодолеть существующие технологические ограничения», – считает Федоров.