Квантовые вычисления – одно из самых важных и перспективных направлений развития отечественной науки. Ученые из Российской академии наук (РАН), вузов, научно-технологических центров и крупных госкорпораций работают над прорывными проектами для достижения технологического суверенитета нашей страны. Создание многокубитного квантового компьютера – один из главных вызовов, стоящих сейчас перед профессиональным сообществом. По своим возможностям он должен превзойти суперкомпьютер, который уже снискал славу настоящего «титана вычислений».
О том, что такое квантовые компьютеры и зачем они нужны, порталу Наука.рф рассказали руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, основатель облачной платформы QBoard, создатель первого в мире квантового блокчейна для хранения и проверки финансовых данных Алексей Федоров и сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов.
Богатое наследие
Идею квантовых вычислительных устройств впервые озвучил в 1980 году советский математик Юрий Манин в книге «Вычислимое и невычислимое». Годом позже, в мае 1981, о скорой перспективе создания такого компьютера сообщил физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман в докладе, посвященном возможности моделирования физических процессов.
«Ученые отметили, что количество параметров, которые необходимы нам для описания квантовых систем, очень быстро растет с увеличением их размерности. Так, если мы берем одну, две или три частицы, то описать их не составит труда. Когда речь идет о 30-50 частицах, количество нужных для этого параметров колоссально увеличивается. Манин и Фейнман, заметив такую особенность квантовых систем, задались вопросом – как ее можно использовать для решения вычислительных задач», – подчеркнул Алексей Федоров.
Отвечая на этот вопрос, Фейнман заявил о способности квантового компьютера моделировать любые другие квантовые системы.
«Если мы внимательнее посмотрим на привычные нам вещи, то увидим, что многое устроено как сложная квантовая система. Например, аккумуляторная батарея, лекарства или материалы. Иначе говоря, их свойства определяются физическими явлениями на уровне отдельных частиц, которые взаимодействуют друг с другом», – объяснил ученый.
Чтобы ученые могли сделать следующий шаг, то есть начать разрабатывать новое поколение материалов или лекарств, им нужно сформировать глубокое понимание квантовых задач и устройства этой системы в целом.
Эффективный алгоритм факторизации, то есть разложения числа на простые множители для квантового компьютера, предложил в 1994 году американский исследователь Питер Шор. Как отметил Федоров, на нем основываются аргументы ученых о криптостойкости используемых алгоритмов.
«Шор показал, что квантовый компьютер может сломать механизмы, которые используются для защиты подавляющего большинства данных, передаваемых, например, в интернете. Более того, системы, защищающие наши мессенджеры, тоже могут быть взломаны с его помощью», – рассказал собеседник портала.
Погоня за кубитами
В России квантовый компьютер разрабатывается в рамках утвержденной дорожной карты по развитию квантовых вычислений, которую ведет Госкорпорация «Росатом». На реализацию проекта, рассчитанного до 2024 года, планируется потратить 24 млрд рублей.
«Первое подведение итогов у нас запланировано на конец 2024 года, но сейчас принято решение о продлении карты до 2030-го. Так, в ближайшее время мы должны построить несколько квантовых процессоров, симуляторов, но, основная цель – достигнуть 50-100 кубитов на квантовом процессоре. Это амбициозные планы, для выполнения которых потребуется приложить много сил и времени. Однако я считаю, что ученые идут верным путем», – сказал порталу Наука.рф сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов.
Он отметил, что такая разработка не только обеспечит России квантовое превосходство, но и решит непосильные для самого мощного суперкомпьютера задачи. С помощью вычислительного устройства специалисты намерены создавать новые лекарства, изучать свойства материалов, развивать транспортную логистику.
«Суперкомпьютер напоминает обычную счетную доску с костями, только все вычисления там протекают намного быстрее. При вычислениях он перебирает по очереди каждый из большого количества предложенных вариантов. Квантовый компьютер может работать с ними одновременно, поэтому зачастую является очень эффективным при решении некоторых вопросов, когда классическое устройство пасует», – пояснил собеседник портала.
Например, если человеку необходимо доставить сто посылок по заданным адресам. По словам эксперта, найти в этом случае лучшее решение классический компьютер не сможет, ведь он будет испытывать трудности при быстром увеличении количества конечных точек. При этом квантовый компьютер и алгоритмы быстро справятся с десятком различных оптимизационных задач.
Как рассказал Алексей Федоров, помимо моделирования, криптоанализа и оптимизации специалисты также видят перспективу использования квантового компьютера в машинном обучении. Сейчас отечественные разработчики создают квантовую облачную платформу, которая предоставит доступ к инновационному вычислительному устройству всем желающим. Поскольку сегодня квантовые компьютеры и симуляторы установлены только в лабораториях, облачный доступ – единственный способ работы с ними.
«Безусловно, разработка воспитает новое поколение специалистов. Открытый доступ поможет современным айтишникам научиться программировать не только на классическом процессоре, но и на квантовом», – заметил руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.
Революция квантов
На сегодняшний день в России создано около четырех квантовых процессоров, которые совершенствуются и показывают результаты. По мнению Федорова, уже в ближайшем будущем революционные вычислительные устройства будут распространены как смартфоны.
«Вспомните, что спровоцировало массовое приобретение персональных компьютеров, ноутбуков и мобильных телефонов? Разработчики нашли приложения для классических компьютеров, которые нужны каждому человеку. Чтобы совершать покупки онлайн, смотреть фотографии, мультфильмы и кино. Для квантовых компьютеров ученые пока не отыскали таких массовых пользовательских приложений. Однако это не значит, что их нет. Когда они появятся, станет понятно, почему такие компьютеры должны использовать все желающие, а не только крупные компании и холдинги. После этого они станут неотъемлемой частью нашей жизни», – уверен Алексей Федоров.
Руслан Юнусов также указал на качественно новый уровень научного сотрудничество России, Индии и Китая. Специалисты Российского квантового центра уже нашли много общих точек соприкосновения с индийскими партнерами в области квантовых технологий. В ближайшее время ученые в коллаборации планируют открыть научные центры, активно осуществлять студенческие обмены, организовывать международные конференции и круглые столы.
«Идея квантового компьютера параллельно развивалась на Западе и в Советском Союзе. Такое наследие дало нам самое важное – умы и научную школу по этому направлению. На текущий момент существующий потенциал развивается в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям. Мы уже не просто накапливаем знания, но и стараемся превратить их в технологии. Сейчас ученые находятся в самой активной точке этого процесса», – резюмировал Федоров.
По словам эксперта, особый подход отечественных исследователей к созданию квантовых технологий приведет их в ближайшем будущем к лидирующим позициям в данной области.
Евгения Сахно
