Как Россия потратит 15 млрд на создание квантового компьютера31.01.2020 14:30

31.01.2020, Пт, 14:10, Мск , Текст: Игорь Королев

России требуется p15 млрд на развитие сферы квантовых вычислений, подсчитали авторы дорожной карты квантовых технологий. Российские технологии в данной сфере соответствуют уровню »4» из »9» возможных. При этом в России отсутствует облачная платформа для квантовых вычислений.

Первая и вторая квантовые революции

В распоряжении CNews оказалась полная версия дорожной карты развития квантовых технологий, подготовленная национальным исследовательским технологическим университетом МИСиС в рамках реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика».

Как отмечают авторы документа, первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии — мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.

Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.

С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологи и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.

Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.

Законы классической физики не дают адекватного описания широкому ряду эффектов, наблюдаемых в микромире. К примеру, явление квантовой суперпозии и квантовой запутанности не имеют классических аналогов. Эти явления определяют функциональные особенности квантовых битов информации — кубитов. Переводя принцип квантовой суперпозиии на язык двоичной логики — основу работы современных информационных технологий — кубиты могут быть одновременно и в состоянии »0», и в состоянии »1» (в отличие от классических единиц информации, находящихся в каждый конкретный момент времени либо в состоянии »0», либо в состоянии »1»).

С точки зрения физики, кубит представляет собой двухуровневую квантовую систему, которая может быть реализована множеством различных способов. Примером кубита является спин электрона или поляризация фотона. Управление индивидуальными квантовыми объектами позволяет строить принципиально новые классы вычислительных устройств, использующие явления квантовой физики «за пределом действия» закона Мура.

Почему квантовые устройства для обработки могут быть мощнее классических? За последние 30 лет был найден ряд алгоритмов, реализуемых на квантовом компьютере, которые гораздо эффективнее лучших известных классических алгоритмов. Примером является алгоритм Шора, решающий задачу факторизации (разложения числа на простые множители) за время, возрастающее полиномиально с количеством значащих цифр в исследуемом числе. Время решения этой задачи с использованием классических алгоритмов возрастает экспоненциально с количеством значащих цифр. С ростом числа значащих цифр преимущественно квантового алгоритма над классическим становится колоссальным.

В классических вычислениях информация кодируется при помощи строк битов и выражается через последовательность нулей и единиц. Существует 1,024 способа записать строку из десяти классических битов. Соответственно, в регистр классического компьютера в каждый момент времени можно записать только одно из этих значений. В то же время, в силу принципа суперпозиции, 10 кубитов могут «закодировать» все 1,024 битовые строки одновременно. В настоящее время в классических вычислительных системах используется порядка 100 млрд регистров, тогда как кубитов сейчас порядка 100. Следовательно, потенциал увеличения количество кубитов очень большой.

Квантовые технологии в России

Советско-российская школа квантовой физики является одной из сильнейших в мире. Все нобелевские премии по физике советских и российских ученых связаны с достижениям и в области квантовой физики. Научная школа сильно пострадала из-за массового отъезда ученых за границу в 1990-х и в начале 2000-х, однако это сформировало в области квантовой физики сильнейшую русскоговорящую международную научную диаспору.

При этом в России остались десятки научных групп, проводящих исследования мирового уровня. Появившиеся в последнее десятилетие тенденции к возвращению состоявшихся за границей российских ученых и к привлечению зарубежных ученых без российского опыта позволит обеспечить для России потенциал для прорыва и захвата лидирующих позиций в отдельных направлениях квантовых технологий.

Индустрия квантовых вычислений в мире находится только на стадии формирования. Поэтому в данный момент имеется возможность при резком старте присоединиться к квантовой технологической гонке, несмотря на имеющееся на сегодня отставание, считают авторы дорожной карты. Целевая поддержка развития квантовых технологий позволит сократить разрыв в таких направлениях, как квантовые вычисления, а по ряду направлений создать конкурентные продукты с экспортным потенциалом и выйти на международные рынки.

В развитых странах мира власти и крупный бизнес активно помогают развитию квантовых технологий. В США Конгрессом утвержден проект развития квантовых технологий объемом $20 млрд. В Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом 3 млрд евро, а в Китае создается Национальная квантовая лаборатория с бюджетом до $12 млрд.

Также инвестиции в квантовые технологии осуществляют такие компании, как Google, Microsoft, Intel и IBM. А Airbus и Volkswagen уже решают задачи с помощью квантовых технологий. Общий объем частных инвестиций в квантовые технологии составляют $1 млрд в год.

Квантовые вычисления

В дорожной карте квантовые технологии подразделены на три субтехнологии: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Субтехнология квантовых вычислений представляет собой новый класс вычислительных устройств, использующихся для решения задач принципы квантовой механики.

Подобно тому, как классические компьютеры разделяются на процессоры общего назначения и интегральные схемы специального назначения, квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.

Квантовые компьютеры представляют из устройства, которые могут с использованием кубитов решать любую алгоритмическую задачу — то есть являются квантовыми аналогами универсальных классических компьютеров. Вычислительные возможности квантового компьютера определяются двумя основными характеристиками: количеством кубит и их качеством (уровнем ошибок при совершении элементарных операций).

Функционирование квантового компьютера чрезвычайно сложно смоделировать при помощи классических алгоритмов. Для моделирования квантового компьютера, состоящего всего из 50 кубитов, уже требуются колоссальные вычислительные ресурсы, которые находятся на пределе возможностей существующих классических суперкомпьютеров. Соответственно, суперкомпьютер, имеющих более 50 кубитов, уже может продемонстрировать «квантовое превосходство» — умение решать те задачи, которые невозможно решить с помощью современных классических суперкомпьютеров.

Прогнозируется, что в целом ряде задач квантовый компьютер будет способен дать многократное ускорение по сравнению с существующими суперкомпьютерными технологиями. Примерами являются сферы кибербезопасности, оптимизации (в том числе в логистике и финансах), искусственного интеллекта (обучение и ускорение работы нейронных сетей), поиск по базам данных, обработка больших данных и моделирование сложных систем (материалов и химических реакций).

Но для увеличения вычислительной мощности квантового компьютера недостаточно увеличения числа кубитов, важна также и степень контроля над ними. Неконтролируемое воздействие на квантовую систему со стороны окружения может приводить к явлению декогеренции, которое, в свою очередь, приводит к ошибкам в ходе вычислений.

Для измерения «качества» квантовых компьютеров компаний IBM была введена характеристика, называемая квантовым объемом: квантовый объем растет только лишь при одновременном росте количества кубитов и уменьшения числа ошибок при совершении операций над ними.

Цифровая и адиабатическая модели квантовых вычислений

Для построения универсальных квантовых компьютеров существует несколько различных парадигм. В первую очередь, это цифровая модель (модель вентилей, gate-model) и адиабатические квантовые вычисления. Цифровая модель основана на применении программируемых преобразований к исходному состоянию квантовой системы и считывании полученного состояния. На данный момент это направление развивается такими компаниями как Google, IBM и Intel. Цифровые квантовые компьютеры — наиболее изученный тип квантовых компьютеров на текущем этапе.

Как уже отмечалось, основной проблемой цифровой архитектуры квантовых компьютеров является декогеренция, которая приводит к ошибкам в ходе вычислений. Существует несколько принципиально различных способов борьбы с декогеренцией. Во-первых, это создание практических методов подавления ошибок, в которых, за счет различных подходов (выбора топологии, связности, последовательности операций и т.д.), уменьшается влияние декогеренции на процесс вычислений. Подавление ошибок может быть реализовано, в частности, путем создания алгоритмов постобработки результатов квантовых вычислений.

Во-вторых, это разработка квантовых кодов коррекции ошибок, которые могут, в теории, полностью исключить влияние ошибок на процесс вычислений. Один из лучших на сегодняшних день методов — торический код — был предложен А. Китаевым. Тем не менее, полноценного решения на данный момент еще нет. Поэтому создание квантовых кодов коррекции ошибок является сложнейшей научно-технической проблемой, на решение которой должны быть направлены существенные усилия.

В-третьих, по всему миру проводятся активные исследования возможностей и технологий создания устойчивых к ошибкам систем квантовых вычислений. Примером таких систем являются топологически-защищенные квантовые вычисления, которые лежат в основе концепции топологического квантового компьютера. Данная концепция активно исследуется в мире как в академическом сообществе, так и, например, компанией Microsoft. Квантовые системы, которые могут быть использованы для топологически-защищенной обработки информации, пока только начинаются изучать экспериментально, поэтому построение на основе них практических технологий квантовых вычислений займет достаточно большое время.

Актуальной проблемой является также разработка квантовых алгоритмов для решения практических задач. В данный момент известно несколько десятков таких алгоритмов, однако для их реального воплощения требуется решить различные научно-технологические задачи, связанные с оптимизацией практической реализации алгоритмов в условиях конкретной элементной базы.

Адиабатическая модель основана на приведении системы в исходное состояние, характеризующееся минимумом энергии (основное состояние гамильтониана). Затем параметры системы (гамильтониан) достаточно медленно меняются, принимая значения, соответствующие решаемой задаче. Изменившееся (эволюционировавшее) состояние системы считывается в качестве ответа.

Примером квантового компьютера, работающего с использованием такой модели, можно считать устройства компании D-Wave Systems. Адиабатическая модель обладает устойчивостью к шумам, а потому представляется более удобной для разработки алгоритмов, однако свойство такой архитектуры также недостаточно хорошо исследованы.

Проблемой адиабатической архитектуры являются шумы, то есть время декогеренции. Устройства D-Wav Systems имеют очень малое время декогеренции, поэтому выполняемые на них вычисления не являются квантовыми в полном смысле слова.

В мире практические разработки когерентных (истинных) адиабатических процессоров только начинаются. Кроме того, существенной проблемой является необходимость переложить исходную задачу в задачу нахождения минимума гамильтониана некоторой физической системы. Для решения такой задачи на данный момент нет общего подхода.

Что такое квантовые вычисления?

Второй обширный класс квантовых вычислительных устройств — квантовые симуляторы. Вычислительные возможности квантового симулятора определяются классом систем и явлений, которые с его помощью могут быть промоделированы, а также точностью результатов моделирования. Поэтому оценке их реализации целесообразно сравнивать не количество в них квантовых частиц, а спектр и востребованность задач, решаемых данными типом симулятора, отмечают авторы документа.

Аналоговые квантовые симуляторы — это системы, которые могут качественно воспроизводить свойства других систем. Например, система атомов при низкой температуре, помещенная в стоячую волну света, может воспроизводить свойства электронов в кристаллической решетке твердого тела. Таким образом, при помощи ультрахолодных атомов становится возможным моделирование различных явлений физики твердого тела, в частности, сверхпроводимости и магнетизма.

Квантовые симуляторы предназначены для решения узкоспециализированных квантовых задач связанных, например, с моделированием сложных систем с большим числом частиц. Такого рода задачи относятся к категории наиболее сложных задач, которые, как правило, не поддаются решению на классических компьютерах: Гильбертово пространство квантовых многочастичных систем экспоненциально растет с увеличением размера системы, что создает непреодолимые трудности даже для наиболее мощных современных компьютеров.

Выходом из положения является создание компьютеров нового типа, использующих принцип квантовой суперпозиии для максимального распараллеливания вычислительного процесса. В качестве примера задач, которые могут быть решены с помощью квантовых симуляторов, можно привести определение основных энергетических уровней сложной молекулы для последующих расчетов динамики химических реакций и биохимических процессов. Считается, что квантовые симуляторы могут быть полезны для задач разработки новых материалов, например, материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью.

Моделирование молекул, осуществленное на квантовом компьютере

В последние несколько лет развивается направление программируемых квантовых симуляторов. Программируемым квантовым симулятором называется система, в которой некоторые параметры, такие как величина взаимодействия между частицами, могут быть изменены в процесс функционирования. Это расширяет класс задач, которые возможно решить с помощью таких систем. К этому классу относятся недавно созданные системы на основе 51 атома (группа М. Лукина из 51 атома в Гарвардском университете) и система из 53 ионов (группа К. Монро в Университете Мэриленда).

Квантовые компьютеры и квантовые симуляторы могут быть построены на основе различных физических систем — элементной базе квантовых вычислений. К числу таких систем относятся сверхпроводящие квантовые цепи, нейтральные атомы, ионы, молекулы, фотоны интегральная оптика, полупроводниковые квантовые точки, квазичастицы (эксистоны, поялритоны, магноны и др.), примесные атомы и центры окраски.

Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы

Сверхпроводящие кубиты являются одной из лидирующих технологических платформ для разработки квантовых вычислительных устройств. Они отличаются от других типов кубитов хорошей масштабируемостью, стабильностью во времени, контролем параметров и относительной легкостью управления. Технология квантовых компьютеров и квантовых симуляторов на сверхпроводниковых технологиях в мире в значительной степени реализована. Именно на сверхпроводящих кубитах работают все созданные к настоящему времени коммерческие и другие, доступные специалистам для использования, вычислительные устройства.

В марте 2018 г. корпорацией Google был изготовлен квантовый процессор, состоящий из 72 кубитов. Такой квантовый процессор должен был обеспечить в пространстве квантовых состояний глубину вычислений, недоступную современным классическим компьютерами, и, тем самым, продемонстрировать квантовое превосходство. Однако этого на данный момент не произошло.

Лидирующими организациями в России в сфере сверхпроводящих кубитов являются МИСиС, Российский квантовый центр (РКЦ), ФНИИА, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИФТТ РАН и НГТУ. В России реализуется проект под шифром «Лиман». В рамках него была отработана технология изготовления сверхпроводящих туннельных контактов субмикронных размеров и различных когерентных квантовых структур на их основе, продемонстрированы приготовление и контроль квантовых состояний для таких кубитов, квантовая томография приготовленных состояний, а также выполнение и контроль точности однокубитных квантовых вентильных операций.

На сегодняшний день консорциумом, реализующим данный проект, отлажена технология изготовления сверхпроводниковых двухкубитных схем, экспериментально охарактеризованы и продемонстрированы различные типы двухкубитных логических вентилей, известные как iSWAP.CZ и CNOT. Такие вентили могут осуществлять квантовое запутывание отдельных битов, необходимое для работы квантовых процессоров. Достигнута достоверность логических операций в пределах от 85 до 95%, реализована томография различных квантовых состояний, включая квантовое запутывание, а время когерентности кубитов достигло 50 микросекунд.

В сфере сверхпроводящих кубитов ожидается, что к 2024 г. будет создан универсальный квантовый вычислитель из 30–50 кубитов с достоверностью выполнения двухкубитных операций выше 95%. В России для развития данного направления необходимы инвестиции в размере p3 млрд до 2024 г., в том числе p1 млрд на покупку оборудования (криостаты растворения замкнутого цикла, измерительная техника, цифровые интерфейсы, устройства управления и обработки информации).

Квантовые компьютеры и симуляторы на нейтральных атомах

Ультрахолодные атомы входят в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя, конкурируя в этой области со сверхпроводниковыми технологиями и ультрахолодными ионами. С точки зрения задачи построения универсального цифрового квантового компьютера, перспективной представляется архитектура на основе индивидуальных атомов в оптических потенциалах. Такие потенциалы могут создаваться разными способами, например, можно локализовать атомы в пучностях стоячей электромагнитной волны.

Более удобным представляется способ, использующий упорядоченные массивы дипольных микроловушек (оптических пинцетов). Микроловушки могут создаваться с помощью массивов микролинз, голографическим способом или с помощью акустооптических дефлекторов. Преимуществом этого подхода является отсутствие необходимости в интерферометрической стабилизации, возможность создания структур произвольной конфигурации и возможность динамической перестройки структуры. В настоящий момент продемонстрирована возможность создания упорядоченных структур из более чем 100 одиночных атомов.

В Гарвардском университете создана система из 51 атома, в Политехнической школе Университета Париж-Сакле — из 70 атомов. Но разработка систем на ультрахолодных атомах сосредоточена только в академических институтах и университетах, в то время как центр тяжести разработки квантовых вычислений на других платформах уже перешел на частные компании.

В первую очередь это связано с большими ошибками при проведении двухкубитных операций на нейтральных атомах: достоверность операций до последнего времени не превышала 86%. Но последние исследования предлагают повышение уровня достоверности до 97%.

Существует теоретический и технологический задел для увеличения количества кубитов на нейтральных ультрахолодных атомах на несколько порядков. Но наименьший продемонстрированный уровень ошибок при проведении двухкибитных операций составляет 3%, что по-прежнему на два порядка превышает значение, при котором возможно практическое применение данных операций при существующих на сегодняшний день алгоритмах коррекции. Теоретически были предложены решения, позволяющие повысить надежность многокубитных гейтов на ультрахолодных атомах, успешная реализация которых может заметно изменить расклад сил на рынке квантовых вычислителей в пользу данной платформы.

В ряде мировых лабораторий было продемонстрировано время когерентности кубитов, сформированных сверхтонкими компонентами основного состояния охлажденных атомов щелочных металлов, достигающих нескольких секунд или даже порядка минуты, что близко к результатам, продемонстрированным в ионах, и значительно превышает время когерентности сверхпроводящих кубитов. Также для кубитов на ультрахолодных атомах была разработаны эффективные методы инициализации и считывания квантового состояния регистров.

Основным преимуществом данной платформы является локализация частиц, формирующих квантовые регистры, при помощи оптических полей, которые могут быть относительно легко переконфигурированы в процессе работы вычислителя, что делает эти системы очень гибкими. Была экспериментально продемонстрирована возможность индивидуальной адресации кубитов, формирующих одномерные (1D), двумерные (2D) или трехмерные (3D) структуры. Это в перспективе допускает возможность масштабирования таких систем до регистров из десятков тысяч физических кубитов.

В настоящее время активно развивается направление квантовых симуляторов, использующее дипольные атомы или молекулы. Интерес к этим система связан, прежде всего, с наличием у них значительного дипольного момента в основном состоянии, позволяющим реализовывать с одной стороны дальнодействующие взаимодействия и, с другой стороны, ассиметричные взаимодействия. Другой важной особенностью редкоземельных атомов является наличие орбитального момента в основном состоянии, которыое приводит к наличию большого количества резонансов Фешбаха в основном состоянии.

В России наибольшими заделами в данном области обладают ЦКТ МГУ им. М.В. Ломоносова, ИФП СО РАН, ФИАН, РКЦ, ИПФ РАН и ИАиЭ СО РАН. В рамках проекта с шифром «Прибой» были успешно реализованы технологии загрузки атомов рубидия в магнитооптические (МОТ) и оптические ловушки, формирующие квантовые регистры, их лазерного охлаждения, инициализации и считывания состояний квантовых регистров. В лаборатории нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики был также экспериментально продемонстрирован оригинальный метод перепутывания состояний атомов рубидия при помощи резонансов Ферстера.

В ИПФ РАН в Нижнем Новгороде создана установка по приготовлению вырожденных ферми- и бозе-газов нейтральных частиц, приготовлен двухмерный ферми-газ атомов и впервые исследовано его основное состоянию. Благодаря управлению силой межчастичного взаимодействия, газ атомов плавно перестраивался от состояния ферми-жидкости до состояния бозе-эйнштейновского конденсата двухатомных молекул, оставаясь при этом сильно вырожденным.

Барьером для развития данной области является тот факт, что масштабирование до уровня 103 атомов потребует использования непрерывных лазеров большой мощности для создания дипольных ловушек, при том, что индивидуальная адресация больших массивов будет ограничена по быстродействию скоростью отклонения пучка.

А увеличение времени когерентности потребует уменьшения фазовых шумов и шумов интенсивности используемых лазеров, контроля за внешними магнитными полями, и, возможно, активных методов подавления ошибок. Кроме того, реализация недеструктивных измерений потребует использования высокочувствительной системы детектирования и увеличения эффективности сбора сигнала флуоресценции.

К 2024 г. ожидается создание универсального квантового вычислителя из 100 кубитов с уровнем достоверности однокубитных и двухкубитных операций 99,9%. Объем требуемых инвестиций за данный период в России составит p2,25 млрд.

План развития технологии квантовых вычислений на нейтральных атомах до 2024 г.

Параллельно придется развивать следующие технологии: создание двухкоординатных акустооптических и электрооптических дефлекторов, исследование по созданию пространственных модуляторов света на основе жидких кристаллов (SLM-технологии) в России, прецизионная ЧПУ-полировка оптических линз для создания асферических линз с заданными характеристиками, создание центров напыления оптических покрытий с отражением лучше 99,9%, развитие быстрых и способных выдерживать значительную лазерную мощность модуляторов и дефлекторов пучка, разработка эффективных микроволновых антенн и мощных, перестраиваемых по частоте лазерных систем видимого и ближнего инфракрасного диапазона и развитие технологии литографии и ионного травления для создания массивов планарных ловушек.

Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках

Во многих лабораториях в мире ведутся разработки отдельных элементов универсального квантового вычислителя на основе одиночных ионов. Ключевыми направлениями развития является увеличение количества используемых кубитов и улучшение их характеристик.

Лучшие показатели времени когерентности были продемонстрированы в Национальном университете Сингапура — 600 сек, то есть при времени выполнения операции порядка 100 мс можно провести 6 млн операций без потери когерентности. Лучшие результаты по достоверности квантовых операций были получены в Национальном институте стандартов и технологий США — 0,99996 для однокубитных операций и 0,9991 для двухкубитных операций. Это позволяет провести приблизительно 10 тыс. однокубитных и 700 двухкубитных операций без потерь когерентности.

Американский технологический стартап IonQ анонсировал первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах. Он способен использовать 160 кубит, производить простые квантовые операции на 79 кубитах и реализовывать произвольные квантовые алгоритмы с использованием 11 кубитов.

Основным недостатком данной технологии является существующее сегодня технологическое ограничение максимального размера квантового регистра. Основные проблемы масштабирования ионных компьютеров связаны с эффектом аномального нагрева, которые препятствует дальнейшему снижению размеров ловушек и, соответственно, увеличению числа связанных кубитов, а также усложнению колебального спектра с ростом числа взаимодействующих ионов.

Первая проблема может быть решена при помощи увеличения мощности используемых для адресации лазеров, вторая — за счет использования технологии быстрых гейтов. В Австралийском национальном институте теоритически было показано, что использование такой технологии позволяет использовать более 50 кубитов фактически без потери их качества.

Еще одной важной проблемой на пути масштабирования квантовых вычислителей на ионах является компенсация паразитных внешних электрических полей, приводящая к нагреву ионов и потере когерентности. На каждый используемый кубит необходимо три электрода с независимо устанавливаемыми потенциалами, что становится весьма затруднительным уже при нескольких десятках кубитов. В то же время уже сегодня предложена технология компенсации микродвижений с использованием оптических полей, которая позволит преодолеть и эту проблемы.

План развития технологии квантовых вычислений на ионах в ловушках до 2024 г.