Есть ли в России квантовый компьютер
Обновлено: 02.07.2024
Национальная инициатива направлена на разработку практических технологий, которые могли бы анализировать базы данных и создавать сверхзащищенные коммуникационные сети.
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Компьютеры, использующие квантовые процессоры, могут предсказывать результаты химических реакций и учитывать большие числа, например те, которые используются в шифровании. Фото: Кристиан Ладеманн/Алами
Россия приступила к созданию работающего квантового компьютера, чтобы догнать другие страны в гонке практических квантовых технологий.
«Это настоящий толчок», — говорит Алексей Федоров, квантовый физик из Российского квантового центра (РКЦ), частного исследовательского центра в Сколково под Москвой. «Если все пойдет по плану, эта инициатива станет важным шагом на пути к тому, чтобы российская квантовая наука вышла на мировой уровень».
Квантовые компьютеры используют элементарные частицы, которые могут находиться в нескольких квантовых состояниях одновременно, для выполнения вычислений. Квантовые биты, или кубиты, теоретически могут обрабатывать информацию экспоненциально быстрее, чем бинарные биты один-ноль, используемые в классических вычислениях. Мощные квантовые компьютеры могут предсказывать результаты химических реакций, осуществлять поиск в огромных базах данных или факторизовать большие числа, например те, которые используются в шифровании.
Квантовое преимущество
Квантовая технология уже получает массированную государственную поддержку в ряде стран. Ожидается, что флагманская программа Европейского Союза Quantum стоимостью 1 миллиард евро (1,1 миллиарда долларов США), о которой впервые было объявлено в 2016 году, позволит в течение нескольких лет создать проекты для демонстрации технологий, такие как квантовый процессор на кремниевом чипе. В августе 2019 г. Германия объявила о национальной квантовой инициативе стоимостью 650 млн евро. Правительства Китая и США также тратят миллиарды на программы в области квантовой науки и технологий.
Идет гонка за создание квантовых компьютеров, которые превосходят классические машины в определенных задачах. Прототипы, разработанные Google и IBM со штаб-квартирами в Маунтин-Вью, Калифорния, и Армонк, Нью-Йорк, соответственно, приближаются к пределу возможностей классического компьютерного моделирования. В октябре ученые Google объявили, что квантовый процессор, работающий над конкретным расчетом, достиг такого квантового преимущества.
Россия далека от этой вехи. «Мы отстали на 5–10 лет, — говорит Федоров. «Но здесь есть большой потенциал, и мы очень внимательно следим за тем, что происходит за рубежом». Плохое финансирование лишило российских квантовых специалистов возможности конкурировать с Google, говорит Илья Беседин, инженер Национального научно-технического университета в Москве.
Группа Беседина создала прототип квантового процессора на основе сверхпроводящих материалов, работающего на двух кубитах. Квантовый компьютер Google работает на 53 кубитах. Россия отстает, но национальная квантовая инициатива, возможно, не запоздала, считает Беседин.
«Никто не может приблизиться к мощности квантовых вычислений, необходимой для практических приложений», — говорит он. «Есть много технических проблем, и мы все ищем новые возможности для изучения. При серьезной государственной поддержке это станет очень интересной возможностью для исследований в России».
Доморощенные кубиты
Эта инициатива появилась в связи с тем, что квантовая наука в России начинает восстанавливаться после ухода ведущих исследователей в 1990-х и 2000-х годах, которые уехали в поисках лучшей зарплаты и возможностей финансирования. Несколько российских квантовых физиков, работающих за границей, в том числе Михаил Лукин и Юджин Демлер, оба сейчас работают в Гарвардском университете в Кембридже, штат Массачусетс, входят в международный консультативный совет РКЦ. Другие, включая Алексея Устинова, специалиста по физике конденсированных сред из Технологического института Карлсруэ в Германии, получили гранты от российского правительства на создание исследовательских групп в России.
Учёные в России уже разрабатывают собственные подходы к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров, — говорит Устинов. «Российские лаборатории пока не могут конкурировать с Google, — говорит он. «Но инициатива — многообещающее начало для повышения уровня квантовых исследований в России. Посмотрим, к чему это приведет».
Но Питер Золлер, квантовый ученый из Университета Инсбрука, Австрия, сомневается, достаточно ли одной этой инициативы, чтобы привлечь талантливых молодых ученых к квантовым исследованиям и технологиям. Золлер добавляет, что восстановить доверие к российской научной системе и возродить образовательные традиции страны «будет сложнее, чем объявить о квантовой инициативе».
Российские ученые достигли последней вехи в дорожной карте страны в области квантовых вычислений, разработав прототип ионного квантового компьютера с 4 кубитами, сообщило российское информационное агентство «Интерфакс».
В отчете информация приписывается Росатому, Российской государственной корпорации по атомной энергии, которая координирует усилия исследователей, начатые в 2019 году с целью разработки квантового компьютера к 2024 году. В отчете говорится, Центр и ПН Физический институт им. Лебедева РАН представил прототип.
Это последнее достижение, вероятно, будет тщательно изучено правительством США, которое все больше и больше внимательно следит за появляющимися усилиями по квантовым вычислениям в таких странах, как Китай, Пакистан и Россия. Список иностранных организаций, которые, как считается, «действуют вопреки интересам национальной безопасности или внешней политики Соединенных Штатов», был опубликован правительством США в ноябре, и, хотя он был в основном сосредоточен на китайских организациях, Московский физико-технический институт в России также был добавлен в список.
«Исследователям удалось разработать систему из 4 кубитов не за счет масштабирования числа ионов, а за счет применения оригинальной технологии масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации — кубитов», — говорится в сообщении «Интерфакса». «Универсальный квантовый компьютер с облачным доступом» ожидается к 2024 году, говорится в сообщении руководителя проекта.
Росатом в этом году выделил более 6 млрд рублей (80 млн долларов США) на развитие квантовых технологий, а к 2024 году ожидается выделение более 23 млрд рублей (310 млн долларов США), говорится в отчете. . В 2020 году компания запустила Национальную квантовую лабораторию России.
Лаборатория квантовой обработки информации CPQM сотрудничала с командой суперкомпьютеров CDISE «Жорес» для имитации квантового процессора Google. Воспроизводя бесшумные данные по той же статистике, что и недавние эксперименты Google, команда смогла указать на тонкий эффект, скрывающийся в данных Google. Этот эффект, называемый дефицитом достижимости, был обнаружен командой Сколтеха в ее прошлой работе. Численные данные подтвердили, что данные Google находятся на грани так называемой лавины, зависящей от плотности, что означает, что будущие эксперименты потребуют значительно больше квантовых ресурсов для выполнения квантовой приближенной оптимизации. Результаты опубликованы в ведущем отраслевом журнале Quantum
.С первых дней численных вычислений квантовые системы казались чрезвычайно сложными для имитации, хотя точные причины этого остаются предметом активных исследований. Тем не менее, эта явно присущая классическому компьютеру сложность эмуляции квантовой системы побудила нескольких исследователей перевернуть повествование.
В начале 1980-х годов такие ученые, как Ричард Фейнман и Юрий Манин, предположили, что неизвестные компоненты, из-за которых квантовые компьютеры трудно эмулировать с помощью классического компьютера, сами по себе могут использоваться в качестве вычислительных ресурсов. Например, квантовый процессор должен хорошо моделировать квантовые системы, поскольку они управляются одними и теми же базовыми принципами.
Такие ранние идеи в конечном итоге привели к тому, что Google и другие технологические гиганты создали прототипы долгожданных квантовых процессоров. Эти современные устройства подвержены ошибкам, они могут выполнять только самые простые квантовые программы, и каждый расчет необходимо повторять несколько раз, чтобы усреднить ошибки, чтобы в конечном итоге сформировать приближение.
Среди наиболее изученных применений этих современных квантовых процессоров – алгоритм квантовой аппроксимации, или QAOA (произносится как "kyoo-ay-oh-AY"). В серии впечатляющих экспериментов Google использовала свой процессор для проверки производительности QAOA, используя 23 кубита и три настраиваемых шага программы.
В двух словах, QAOA – это подход, при котором цель заключается в приближенном решении задач оптимизации на гибридной установке, состоящей из классического компьютера и квантового сопроцессора. Прототипы квантовых процессоров, такие как Sycamore от Google, в настоящее время ограничены выполнением шумных и ограниченных операций. Используя гибридную установку, мы надеемся смягчить некоторые из этих систематических ограничений и при этом восстановить квантовое поведение, чтобы воспользоваться преимуществами, что делает такие подходы, как QAOA, особенно привлекательными.
Ученые Сколтеха сделали ряд недавних открытий, связанных с QAOA, см., например, статью здесь. Заметным среди них является эффект, который принципиально ограничивает применимость QAOA.Они показывают, что плотность задачи оптимизации, то есть соотношение между ее ограничениями и переменными, выступает в качестве основного препятствия для достижения приближенных решений. Для преодоления этого ограничения производительности требуются дополнительные ресурсы с точки зрения операций, выполняемых на квантовом сопроцессоре. Эти открытия были сделаны с помощью ручки и бумаги и очень маленьких эмуляций. Они хотели посмотреть, проявляется ли эффект, который они недавно обнаружили, в недавнем экспериментальном исследовании Google.
Затем лаборатория квантовых алгоритмов Сколтеха обратилась к команде суперкомпьютеров CDISE под руководством Олега Панарина с просьбой выделить значительные вычислительные ресурсы, необходимые для эмуляции квантового чипа Google. Сотрудник квантовой лаборатории, старший научный сотрудник доктор Игорь Захаров вместе с несколькими другими работал над преобразованием существующего программного обеспечения для эмуляции в форму, позволяющую проводить параллельные вычисления на Жоресе. Спустя несколько месяцев команде удалось создать эмуляцию, выдающую данные с теми же статистическими распределениями, что и у Google, и показать диапазон плотностей инстансов, при которых производительность QAOA резко падает. Кроме того, они показали, что данные Google лежат на краю этого диапазона, за пределами которого текущий уровень развития техники не может дать каких-либо преимуществ.
Первоначально команда Сколтеха обнаружила, что дефицит достижимости — ограничение производительности, вызванное отношением ограничения к переменной — присутствует в задаче, называемой максимальной выполнимостью ограничения. Google, однако, учёл минимизацию функций энергии графа. Поскольку эти проблемы относятся к одному и тому же классу сложности, это дало команде концептуальную надежду на то, что проблемы, а затем и их последствия могут быть связаны. Эта интуиция оказалась верной. Данные были сгенерированы, и результаты ясно показали, что дефицит доступности создает своего рода лавинный эффект, помещая данные Google на край этого быстрого перехода, после которого более длинные и мощные схемы QAOA становятся необходимостью.
Олег Панарин, менеджер по работе с данными и информационными службами Сколтеха, прокомментировал: «Мы очень рады, что наш компьютер доведен до такого предела. Проект был долгим и сложным, и мы работали рука об руку с квантовой лабораторией, чтобы разработать эту структуру. Мы считаем, что этот проект устанавливает основу для будущих демонстраций такого типа с использованием Zhores».
Игорь Захаров, старший научный сотрудник Сколтеха, добавил: «Мы взяли существующий код Акшая Вишванатахана, первого автора этого исследования, и превратили его в программу, работающую параллельно. Это был, безусловно, волнующий момент для всех нас, когда данные наконец появились, и у нас была такая же статистика, как у Google. В этом проекте мы создали программный пакет, который теперь может эмулировать различные современные квантовые процессоры с 36 кубитами и десятком слоев в глубину».
Акшай Вишванатахан, аспирант Сколтеха, заключил: «В то время преодолеть несколько кубитов и слоев в QAOA было очень сложной задачей. Программное обеспечение для эмуляции, которое мы разработали, могло работать только с игрушечными моделями, и я изначально чувствовал, что этот проект, хотя и захватывающая задача, окажется почти невыполнимым. К счастью, я был среди группы оптимистично настроенных и воодушевленных сверстников, и это еще больше побудило меня пройтись и воспроизвести бесшумные данные Google. Конечно, это был момент большого волнения, когда наши данные совпали с данными Google с аналогичным статистическим распределением, из чего мы, наконец, смогли увидеть наличие эффекта».
В России создается Национальная квантовая лаборатория.
ПРЕСС-РЕЛИЗ — Объявлено о создании нового национального проекта — Национальной квантовой лаборатории (НКЛ). Консорциум, созданный под эгидой Росатома, будет перенимать лучшие мировые практики и объединять усилия и ресурсы ключевых университетов, исследовательских центров, технологических компаний, финансовых организаций, стартапов и команд разработчиков квантовых компьютеров. Подобные национальные программы уже запущены на рынках Европы, Америки и Азии.
К лаборатории присоединились семь организаций: СП «Квант» (входит в Росатом), НИУ ВШЭ, МИСиС, МФТИ (НИУ), Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Российский квантовый центр и Фонд «Сколково». Планируется, что к консорциуму присоединятся другие организации. Руслан Юнусов, Главный проектный офис по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом», возглавляет Национальную квантовую лабораторию (НКЛ).
Участники сосредоточатся на развитии новой и обновлении существующей инфраструктуры и обучении персонала. В Сколково будут построены центр нанопроизводства площадью 2000 квадратных метров и передовой лабораторный комплекс площадью 3500 квадратных метров.Оборудование будет использовано для новых лабораторий и усовершенствования существующих лабораторий участников НКЛ. Современная инфраструктура сети позволит повысить качество исследований и научных разработок, в том числе в рамках дорожной карты квантовых вычислений.
Для наращивания кадров консорциум запустит программы квантового образования, начиная со школьного уровня, и внедрит стандарты обучения и переподготовки. Особое внимание участники NQL уделят привлечению иностранных специалистов в тех областях, где они наиболее необходимы. Студенты, аспиранты и молодые исследователи смогут учиться у известных ученых и использовать полученный опыт при разработке отечественных квантовых компьютеров на четырех основных платформах: сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы и фотоны.
К участию приглашаются научно-исследовательские и образовательные учреждения, государственные корпорации, промышленные стартапы, а также представители деловых и инвестиционных сообществ, заинтересованных в реализации проектов квантовых вычислений. Участники консорциума получат методологическую, маркетинговую и аналитическую поддержку, в том числе помощь в подборе персонала и привлечении партнеров (стартап-команды, в том числе, получат приоритетный доступ в инкубатор и акселератор).
Генеральный директор Росатома Алексей Лихачев, комментируя создание НКЛ, назвал квантовые технологии одним из главных прорывов, которые определят будущее научно-технического прогресса. «Сегодня квантовые вычисления и квантовый компьютер являются полем конкуренции мировых научных школ и технологических гигантов. Есть нормальные игры за лидерство в этой сфере. Уверен, что Национальная квантовая лаборатория внесет большой вклад в высокие позиции нашей страны в этой области», — сказал Лихачев.
Обращаясь к членам консорциума, директор по цифровизации Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева подчеркнула, что создание NQL стало шагом к построению устойчивой экосистемы квантовых вычислений в России и ее выводу на международный уровень.
«NQL объединит представителей науки, бизнеса и инноваций. Его участниками могут быть не только крупные игроки, но и небольшие стартапы. Это создаст кадровый резерв отрасли в квантовой области. Мы создадим научные группы из лучших российских специалистов и сможем пригласить из-за рубежа ученых, обладающих компетенциями, которых нет в нашей стране. Уровень технологической задачи таков, что все страны, имеющие серьезные амбиции в квантовой области, идут по пути накопления усилий. Это путь к результату. NQL станет активным участником международного квантового диалога, когда будет совпадать с крупными мировыми проектами других стран-лидеров», — сказала Солнцева.
«Опыт мировых лидеров квантовых вычислений показал, что выдающихся результатов можно добиться, только создавая национальные программы, поддерживаемые на самом высоком государственном уровне. Консолидация основных участников локального рынка – верная и вполне логичная мера, которую добились американские, азиатские и европейские коллеги. Обмен компетенциями, разработками и информацией, взаимопомощь и работа под единым брендом значительно поддерживают положение страны на мировой арене. Запуск NQL — ключевой шаг в развитии всей отечественной индустрии квантовых технологий», — отметил руководитель проектного управления квантовых технологий Госкорпорации «Росатом» Руслан Юнусов.
Читайте также: