Квантовые компьютеры: когда же, наконец?
Какие инсайты выносит заинтересованный слушатель из выступления визионера? Ключ к решению проблем? Четкое объяснение текущей ситуации? Возможные перспективы? Главное, чему посвящено практически каждое выступление непререкаемого авторитета, — предсказание. В самое ближайшее время, вот-вот, буквально через пару лет, мир изменится до неузнаваемости. Как правило, благодаря «разрушительной силе технологий», которая положит конец смыслу человеческой жизни. Реже — по другим причинам.
Проходит несколько лет, и, вспоминая о лекции очередной знаменитости, мы вдруг обнаруживаем ошибки, или что мир не изменился. Нет, появилось много нового, но сам мир как был несовершенным, так и остался. Для успеха по-прежнему требуются знания, а не только навыки гугления. Для личного счастья — любовь. А универсального решения проблем по-прежнему не существует. И не предвидится. А потом мы снова слушаем очередного гуру и снова узнаем, что вот-вот все поменяется.
Квантовые вычисления
О том, что квантовые компьютеры изменят мир, мы слышим лет сорок с лишним, с тех пор, как Юрий Манин и Ричард Фейнман предложили идею квантовых вычислений. В то время многие уже были знакомы с «персоналками» и представляли, как радикально с их помощью меняются повседневные дела, от работы и до развлечений.
Поэтому почва, на которую упали теоретические предложения Манина и Файнмана оказалась благодатной. Уже в следующем году появилось понятие квантовой машины Тьюринга, а еще через 10 лет Питер Шор вывел алгоритм, который позволяет при помощи квантового компьютера факторизовать большие целые числа. И только в 2000 году появился первый работающий квантовый компьютер, который создали в Мюнхенском университете.
Между теоретическим обоснованием квантового компьютинга и появлением первых, пока еще теоретических результатов разработок прошло без малого двадцать лет. Наверное, это — тот случай, когда долгий срок исследовательской работы пошел только на пользу.
За это время компьютеры стали массовым явлением, сформировались сценарии их повседневного использования и, самое главное — понимание того, как именно можно использовать системы, которые радикально производительнее существующих.
А зачем?
За эти двадцать лет стало очевидно: помимо ответов «да» или «нет» (именно их «выдают» обычные транзисторы) существует еще множество вариаций, которые укладываются в размытое «может быть». Вот для того, чтобы объяснить, может быть или нет, и если да, то почему и как именно, и нужны квантовые компьютеры.
Столь же очевидно, что ответ на этот очень сложный вопрос нужен далеко не всем и далеко не всегда. Не случайно японский альянс Q-STAR прогнозирует, что к 2030 году квантовыми вычислениями будут пользоваться 10 миллионов человек. Это очень большое сообщество, которое в масштабах планеты почти ничтожно. Никаких миллиардов пользователей квантовых компьютеров не предвидится. А проблемы, которые выделили теоретики для решения с помощью квантовых технологий, носят глобальный характер: теоретические исследования и лабораторные научные эксперименты, моделирование сложных процессов (например, в области ядерной физики), вычисления огромных масштабов.
При помощи квантовых компьютеров можно будет рассчитать траекторию и маршрут межпланетных кораблей (когда это вообще станет реализуемо), расшифровать любые шифры (и создать новые), рассчитать самые эффективные инвестиции (привет, аналитики!), добиться оптимального использования ресурсов планеты (да, Грета) и даже рассчитать синтез новых веществ. Список безграничных возможностей можно продолжать бесконечно, насколько позволяет фантазия.
И как?
Ответ на этот вопрос — самое интересное в истории и современности квантовых вычислений. Его пытаются дать, как водится, технологические гиганты.
Вслед за учетными из Мюнхена, уже в 2001 году, свой квантовый компьютер построили в Стэнфорде. Так же как и мюнхенский, он работал на технологии ядерного магнитного резонанса, а использовался для того, чтобы исполнить алгоритм Шора. Потом в Японии появился двухбитный квантовый процессор на сверхпроводниках.
И, наконец, дело дошло до коммерциализации. В 2007 году канадская компания D-Wave Systems заявила о создании 16-кубитного квантового компьютера, способного запускать «ряд коммерчески значимых приложений». И это был еще не полноценный квантовый компьютер, но устройство, способное хотя бы частично использовать квантовые технологии, пусть и в ограниченных масштабах, и вне квантовых алгоритмов.
Уже через 4 года D-Wave смогла коммерциализировать свою разработку, выпустив квантовый компьютер, D-Wave One, в серию. А еще через год была создана 1QB Information Technologies, первая компания, занимающаяся разработкой ПО для квантовый вычислений с использованием компьютеров D-Wave.
С тех пор D-Wave отметилась еще несколькими значимыми успехами: поставкой 512-кубитного компьютера для исследовательского центра NASA, преодолением 1000-кубитного барьера с компьютером для Google и той же NASA и, наконец, выпуском D-Wave 2000Q с 2048-кубитным процессором и инструментарием для разработки ПО с открытым исходным кодом.
D-Wave, несмотря на свою активность, не стала монополистом квантового рынка. В активе IBM есть первый работающий 50-кубитный квантовый компьютер (2017 год) и даже собственный сервис облачных вычислений IBM Quantum Experience, превратившийся в коммерческую квантовую платформу (2017) и первый коммерческий квантовый компьютер для науки и бизнеса (2019).
Еще двумя годами позже дело дошло даже до выяснения отношений. Тогда Google заявила о том, что ее 53-кубитный квантовый процессор Sycamore смог решить задачу, для которой потребовалось бы 10 тысяч лет (с ума сойти!) работы самого мощного суперкомпьютера Summit от IBM. В IBM обиделись и в ответ заметили, что Summit потребовалась бы не вечность, как утверждают в Google, а всего то пара дней. Причем точность суперкомпьютера была бы выше, чем та, которую продемонстрировал квантовый компьютер.
Число игроков будущего квантового рынка ширится. За последние пару лет свои результаты продемонстрировали Microsoft, Intel, Alibaba, Amazon. Наверняка, этот список будет пополняться. Сколько там ещё мировых ИТ-гигантов у нас осталось?
А что же в России?
Оценивать свое отношение к пикировкам Google и IBM российские исследователи квантового компьютинга пока могут фразой из анекдота: «мне бы ваши проблемы». Ещё в 2020 году глава IBM Арвинд Кришна открыто выражал сомнение, что Россия способна сделать прорыв в области квантовых вычислений. Но, тем не менее, наша страна отнюдь не чужая на празднике квантовой жизни.
Конечно, ни одна частная компания не может позволить себе инвестировать в исследования в области квантовых компьютеров, а тем более проводить какие-либо эксперименты. Поэтому проблема была решена в традиционном российском духе, путем назначения ответственных за решение нерешаемой проблемы и формирования дорожной карты «Квантовые вычисления».
Первый российский кубит был получен в 2015 г. В 2016 году под эгидой Министерства образования и науки был составлен специальный проект с традиционно длинным названием «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов».
Исполнителями были назначены несколько ведущих технических вузов, а в качестве софинансирующей стороны и будущего главного пользователя этого компьютера выступила госкорпорация «Росатом». Тогда же дело дошло и до первых практических результатов, пусть даже на экспериментальном уровне, — в Татарстане была запущена первая квантовая сеть передачи данных. Такой же эксперимент поставили и в Подмосковье, на базе «Ростелекома».
Следующая новость относится уже в 2019 году. В мае было объявлено о плане развития квантовых технологий, который разработали совместно с экспертами Российский квантовый центр и МИСиС. Предполагалось, что к 2024 году Россия войдет в число стран-лидеров квантовых вычислений и займет 8% глобального рынка квантовых коммуникаций. Согласно дорожной карте, общее финансирование соответствующих мероприятий в 2020–2024 гг. должно составить 23,66 млрд руб. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 13,25 млрд руб., внебюджетные источники — 10,4 млрд руб.
В ноябре 2020 г. правительство также утвердило программу распределения субсидий для разработчиков прототипов квантовых процессоров. Юрлицо, претендующее на деньги из федерального бюджета, должно иметь собственные чистые активы не менее 100 млрд руб. и опыт международного внедрения технологий стоимостью более 1 млрд руб.
В 2021 году сотрудники ЦКП МФТИ и ЛИКС создали интегральную квантовую схему, которая позволяла полностью контролировать состояние пяти кубитов. Создание российской многокубитовой интегральной схемы стало возможным благодаря значительному улучшению контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов. Ученые также смогли произвести наладку технологии изготовления микроволновых резонаторов и процесса изготовления навесных мостиков, необходимых для подавления паразитных резонансных модов.
В 2021 году также был создан квантовый компьютер «на ионах» — прототип в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям, выполняемой «Росатомом». Помимо Росатома над созданием аналогичных машин работают три зарубежных группы — американская Riggeti Computing, австрийский стартап AQT и физики из Пекинского университета.
Отечественным исследователям удалось разработать систему из четырех кубитов, не наращивая число ионов, а применив оригинальную технологию масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации — кудитов. «В ходе эксперимента исследователи захватили в вакуумной камере два иона и с помощью лазера провели над ними набор однокудитных операций, двухкубитную операцию внутри кудита, а также операцию по перепутыванию двух частиц (Мельмера-Соренсона)», — отмечал Росатом. Удалось показать, что качество операций между кубитами, связанными в кукварт, превосходит качество операций над независимыми частицами, что в будущем обеспечит более высокое качество реализации квантовых алгоритмов.
В 2022 году сотрудники МФТИ и НИТУ «МИСиС» успешно использовали систему из четырех связанных друг с другом сверхпроводящих кубитов для проведения большого числа однокубитных и двухкубитных операций с точностью 97,38%, что является достаточно высоким показателем. При этом в прошлом году австралийские физики рассказали о машине, включающей в себя три полупроводниковых кубита на базе одиночных атомов фосфора, который может выполнять все логические операции с точностью 99,3%.
В этом году было объявлено об открытии доступа к упомянутому выше универсальному квантовому компьютеру через облако, — об этом проекте объявили Российский квантовый центр и ФИАН им. П.Н. Лебедева. Как сообщал ТАСС, демонстрация облачного интерфейса была произведена в конце марта. В ходе демонстрации физики удаленно запустили на процессоре алгоритм Гровера, используемый для поиска значения по неупорядоченной базе данных, а также алгоритм Бернштейна-Вазирани, применяемый в решении задачи по нахождению n-битного числа. Удалось повысить точность однокубитных операций до 90%, двухкубитных — до 80%.
Ожидается, что к 2024 году доступ к российскому универсальному квантовому компьютеру на четырех кубитах будет предоставлен всем желающим. В России идет работа в области изучения квантового компьютинга. И это — уже достижение.
