На Форуме будущих технологий Корпорация Росатом продемонстрировала самый мощный в стране 16-кубитный квантовый компьютер на ионах, на котором с помощью облачной платформы запущен алгоритм расчета молекулы. По прогнозам экспертов широкое практическое применение квантовых вычислений может начаться уже в 2025 году, а к 2030 году вне квантовое технологическое лидерство станет практически невозможным.
Так, например, в конце 2022 компания IBM установила рекорд по созданию самой большой квантовой вычислительной системы с процессором, содержащим 433 квантовых бита, или кубита. Теперь компания взяла курс на гораздо большую цель - 100 000-кубитную машину, которую она намерена создать в течение 10 лет к 2033 году.
Российские же учёные сделали ставку на кубиты из ионов, которые демонстрируют большее время когерентности и, следовательно, дают больше шансов на успешное завершение квантовых алгоритмов с меньшим уровнем ошибок.
Прототип четырёхкубитового компьютера на ионах был представлен в 2021 году. Затем учёные расширили платформу до использования кудитов вместо кубитов — это сродни увеличению разрядности каждого кубита, что позволяет наращивать производительность без увеличения числа физических кубитов. В этом году система разрослась до 16 кубитов, которую как раз и представили на форуме. В следующем году учёные обещают представить 20-кубитовый процессор.
Давайте попробуем разобраться, насколько работа с кудитами позволит сократить существующее технологическое отставание России в области квантовых вычислений, и чем кудиты отличается от кубитов.
Для того чтобы оценить, насколько хорош квантовый компьютер независимо от физической реализации, можно использовать метрику, называемую квантовым объемом, которая была введена IBM в 2022 году. Квантовый объем равен 2n, если удалось успешно запустить n-кубитную программу с 2n операциями. Эта экспериментальная характеристика учитывает ошибки операций, количество кубитов, топологию связи и корреляцию между ошибками. Можно сказать, что объем показывает, насколько сложные задачи может эффективно решать квантовый компьютер.
Как мы видим, показатели квантового объёма растут очень быстро, но они указаны для 20 - 30 кубитов.
Все дело в том,что здесь указано конечное число кубитов, которые занимаются вычислениями, остальные кубиты условно говоря обеспечивают их работу по поиску правильного результата. То есть из 100 000 кубитов компьютера IBM который они планируют разработать, вычислениями будут заниматься только меньшая часть, а остальные только исправлять ошибки. Но это так обстоит дело, если использовать те технологии, которые разработаны на данный момент. К современным технологиям мы еще вернемся, давайте посмотри с чего началось их применение.
В Европе и США с начала 2000 годов идет активная работа в области практической реализации квантовых вычислителей. Первый работающий пятикубитный компьютер на основе ядерно-магнитного резонанса создали ученые Мюнхенского технического университета при помощи компании Siemens AG, а американцы продемонстрировали первый работающий семикубитный ЯМР-компьютер в Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Впервые в нашей стране создан сверхпроводящий кубит в 2015 год. Кубиты состоят «из четырех джозефсоновских контактов на "петле" размером в один микрон. Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нм.
Если считывать формально, то показатели России в области квантовых исследований и разработок выглядят не очень впечатляюще. Практически по всем показателям мы уступаем и «большой тройке» — США, Китай, Евросоюз — и даже отдельным членам последнего, а порой и совсем неожиданным странам. Неудивительно, что, например, глава IBM Арвинд Кришна открыто выразил сомнение, что Россия способна сделать прорыв в области квантовых вычислений.
Серия санкций после февраля 2022 года сместила страну на нижние позиции, выдвинув ещё дальше вперёд США и Китай. На учёных из этих стран сейчас приходится 62 % заявок на патенты в области квантовых технологий. Возглавляют эти списки исследователи из компаний Google, Microsoft, IBM и Intel (США), а также DWave Systems (Канада) и Origin Quantum (Китай).
Помимо прямых запретов на поставку в Россию оборудования для квантовых исследований, например, дефицитного криогенного оборудования, специалисты связывают сокращение числа запатентованных проектов с возросшей секретностью, поскольку многие проекты связаны с госбезопасностью.
Сюда же можно отнести публичность. Учёные из России продолжают участвовать в совместных проектах с европейскими и американскими учёными, но предпочитают делать это без особенной огласки. Альтернативой этому становится более тесное сотрудничество с Китаем и Индией.
Итак, что же такое кудиты, на которые мы возлагаем основные надежды.
Новую архитектуру квантового процессора на основе кудитов ученые из Российского квантового центра запатентовали в мае 2022 г. Она позволит увеличить мощность квантового компьютера на ионах, который был разработан в конце 2021 г. Аналогичные разработки есть только у трех государств: США, Китая и Австрии.
Кудит (qudit, quantum d-git) – это расширенная версия кубита, описываемая квантовой информацией суперпозиций d-состояний (та самая «d» в англоязычной расшифровке термина), где d – целое число более двух (два – это как раз случай кубита). Иными словами, кудит оперирует состояниями одновременно логического нуля, единицы и дополнительных логических значений.
В научной литературе кудит с тремя возможными состояниями (3-уровневый кудит) также называют «кутрит» (qutrit) – по аналогии с «тритом» (trit), основой классической троичной системы исчисления. Соответственно, кудит с четырьмя возможными состояниями (4-уровневый кудит) называют «кукварт» (ququad).
Учёные из НИТУ МИСИС и Российского квантового центра привели пример превосходства в квантовых вычислениях отечественных кудитов перед обычными кубитами, которые сейчас используются практически всеми технологическими гигантами, занятыми в отрасли. Разработчики квантовых систем, например компании как Google и IBM, для повышения производительности квантовых систем идут самым простым путём — они увеличивают число кубитов, единицы вычисления в квантовых компьютерах. Российские учёные предложили иной подход — многоуровневые кубиты или, как их называют иначе, кудиты. Такое решение напоминает память 3D NAND — чем сложнее структура, тем больше кубитов можно разместить в одной ячейке.
В разработанной в России технологии в качестве единицы квантовых вычислений выступают ионы. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов. Кудиты могут находится в трёх, четырёх и более состояниях. Такая возможность, как и с упомянутой выше памятью 3D NAND, позволяет максимально плотно кодировать данные в накопителях, что позволяет учёным реализовывать сложные квантовые алгоритмы. К тому же, таким образом повышается производительность квантовых систем и вырастает скорость выполнения операций. Так, один куквинт (кудит в пяти состояниях) заменяет два классических двухкубитовых вентиля и один вспомогательный уровень, что было показано в работе на примере запуска квантового алгоритма Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных.
По словам заведующего лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексея Фёдорова, куквинт хорош тем, что его состояние позволяет уменьшить количество физических носителей в виде кубитов и упростить декомпозицию многокубитных вентилей (гейтов) — сложных операций с кубитами. В итоге в квантовой системе можно сократить число двухчастичных гейтов, которые в работе используют две физические системы.
С помощью декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, классический процессор. Оказалось, что при использовании кудитов, в частности куквинтов, для реализации 8-кубитного алгоритма Гровера требуется выполнить 88 двухчастичных гейтов против более 1000, когда работа строится на стандартных кубитах. Как видно, разница колоссальная.
Как результат разработанная система в из четырех кубитов без наращивания числа ионов с применением оригинальной технологии масштабирования - это система из двух куквартов, что полностью эквивалентно четырем кубитам. 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 частиц (Мёльмерасоренсона). При этом удалось показать, что операции между кубитами, связанными в кукварт, превосходят по качеству операции над независимыми частицами, что в будущем обеспечит большую эффективность реализации квантовых алгоритмов.
Соответственно, можно сказать, что четырехуровневый кудит эквивалетен двум двухуровневым кубитам. Конкуренция у компьютеров на кудитах не очень высокая, аналогов мало. Похожие системы смогли разработать только американцы, австрийцы и китайцы. По словам разработчиков из Пекинского университета, их команда решила использовать фотоны, в то время, как США и австрийцы применяют ионы, т.е. в основе технологи лежат те же принципы, которыми руководствуются и отечественные ученые.
Тем не менее для реализации практических задач существующие рабочие квантовые устройства пока не превосходят классические суперкомпьютеры согласно оценкам, для решения задач разного уровня сложности в реальной индустриальной среде могут потребоваться системы квантовых вычислений, состоящие из тысяч кубитов:
около 1000 логических кубитов – для точного моделирования средних по размеру органических молекул и ряда химических реакций (BASF);
7500 логических кубитов – для предсказания стоимости финансовых деривативов в реальном времени (не более 1 с) (Goldman Sachs, IBM);
7500 физических кубитов – для моделирования задач, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью с помощью модели Хаббарда (Университет оксфорда);
20 млн физических кубитов – для взлома стандарта шифрования RSA2048 в течение восьми часов (Google).
Что бы понять насколько перспективно или нет направления ионов, на которых работают кудиты, давайте посмотрим какие платформы считаются в настоящее время наиболее перспективными в мире квантовых вычислений:
сверхпроводящие кубиты,
нейтральные атомы,
ионы в ловушках,
фотонные чипы.
Кроме них развиваются альтернативные платформы на основе спинов в полупроводниках, ядерного магнитного резонанса, магнонов, поляритонов, и гибридных систем.
Из различных физические платформ каждая имеет свои достоиства и недостатки.
Квантовые процессоры на сверхпроводниковой платформе разрабатывают IBM, Google, Rigetti, Intel, Alibaba. ее достоинства – хорошая масштабируемость, стабильность во времени и относительная легкость в управлении. К недостаткам относятся необходимость использования сверхнизких температур и низкая когерентность.
Ионная платформа используется компаниями Honeywell, IonQ, AQT. ее достоинства – наилучшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций. недостатком считается технологическое ограничение максимального размера квантового регистра.
Атомная платформа развивается французской компанией Pasqal, Гарвардским университетом и Университетом Парижсакле. Платформа допускает легкое масштабирование, однако отличается высокой сложностью управления кубитами.
Фотонная платформа используется компаниями Xanadu, Quix, Psi Quantum. она имеет малый размер, допускает возможность работы при комнатных температурах и легкое сопряжение с волоконнооптическими линиями. Вместе с тем в ней сложно реализовать логические цепи изза слабого взаимодействия фотонов.
За последние несколько лет ведущие компании реализовали ряд прорывных проектов в области квантовых вычислений. IBM и Google анонсировали планы развития своих процессоров на сверхпроводниковой платформе.
Как же развивается рынок квантовых технологий по разным направлениям?
Сейчас технологическое отставание России от мировых лидеров в области квантовых вычислений оценивается в 7–10 лет. В то же время глобальный рынок развивается неравномерно по отдельным группам технологий, предсказать их относительную динамику сейчас крайне сложно, что в перспективе может дать возможность компенсировать разрыв. В России предпринимаются значительные усилия по интенсификации исследований и разработок в области квантовых технологий. Работы ведутся по всем группам технологий и широко представлены в деятельности исследовательских организаций Российской академии наук.
Тем временем зарубежные ученые тоже не теряют время, и находят новые пути для ускорения прогресса в области квантовых технологий.
В конце июня 2023 года группа исследователей из Microsoft Quantum достигла новой вехи на пути к созданию надежного и практичного квантового компьютера. В статье, опубликованной в журнале Physical Review B, группа описывает достижение и свои планы по созданию надежного квантового компьютера в течение следующих 25 лет. В Microsoft пришли к выводу, что ни один из существующих типов кубитов не подходит для масштабирования.
«Вот почему мы решили разработать совершенно новый кубит со стабильностью на аппаратном уровне. Это был трудный путь развития, он требовал, чтобы мы совершили прорыв в физике, который ускользал от исследователей на протяжении десятилетий», — говорится в пресс-релизе.
Авторы сообщают, что смогли контролируемо создать топологическую фазу материи, характеризующуюся нулевыми модами Майораны (MZM).
Этторе Майорана — итальянский физик, в честь которого и названы загадочные моды (разновидности частиц). Он предложил одно из возможных решений знаменитого уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой механики, соединившего теорию относительности и волновую природу частиц. Майорана описал частицу, одновременно являющуюся собственной античастицей — двойником с той же массой и спином, но с остальными характеристиками противоположного знака. Если одна и та же частица заряжена положительно и в то же время отрицательно, то ее общий электрический заряд должен быть равен нулю. Аналогично и с остальными свойствами, следовательно, нет вообще никаких способов их измерения.
Зато таинственные гипотетические «майораны» обязаны иметь необычные и перспективные для науки качества. Это выходило за рамки представлений обычной физики, но дало начало новому направлению сложнейших фундаментальных исследований. Собственно, поиск этих частиц и возможность ими управлять и занимал ученых на протяжении десятилетий.
В Microsoft предложили новый показатель качества компьютерных вычислений — rQOPS, который измеряет, сколько надежных операций может быть выполнено за секунду. Квантовому суперкомпьютеру потребуется не менее одного миллиона rQOPS. Отрасль в целом еще не достигла этой цели, но разработчики смотрят в будущее с оптимизмом, планируя достичь качества вычислений, которые прогнозировались через 250 лет, уже через четверть века.
Сегодня область, которая требует больше всего сложных вычислений, с которыми не справляются аналоговые компьютеры, и которая при этом является очень коммерчески перспективной — это химия и материаловедение. Чтобы максимально упростить этот процесс, нужно моделировать огромное количество очень сложных молекул, белков и пр., затем вычислять их свойства и совместимость. Современным компьютерам это не под силу. Считается, что количество возможных стабильных молекул и материалов намного превышает количество атомов в известной Вселенной.
Последние перспективные разработки российских квантовых технологий
В Московском физико-техническом институте (МФТИ) разрабатывают сверхпроводящий материал для квантового приборостроения. В центре внимания ученых — магнитный топологический изолятор на основе марганца.
«В качестве материалов для перспективных квантовых устройств сейчас в основном обсуждают графен. Мы же делаем уклон в сторону новых веществ с уникальными квантовыми свойствами», — поясняет директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ доктор физико-математических наук Василий Столяров.
Сверхпроводник на основе марганца был теоретически предсказан ученым Томского государственного университета Михаилом Отроковым в 2019 году и впоследствии синтезирован химиками. Потенциально он решит проблему декогеренции (см. словарь) и увеличит время жизни кубитов.
Изучением схожих по физическим свойствам материалов занимаются во всем мире. Недавно опубликованы зарубежные работы, демонстрирующие возможности использования магнитных топологических изоляторов в приборостроении — например, в высокочастотных криогенных циркуляторах (см. словарь). Российские ученые выявили ряд недоизученных направлений в проектах иностранных коллег и намереваются совершить прорыв там, где его никто не ждет.
«Наша цель, — говорит Василий Столяров, — показать всему миру, что в России сильная научная школа и высокий технологический потенциал. Конкретно — сделать устройство с магнитными топологическими изоляторами, которое превосходило бы по своим параметрам все мировые аналоги». Речь о создании вычислительного криогенного устройства, более устойчивого к внешнему воздействию, шумам и помехам, чем предшественники.
Компания Cloud.ru, провайдер облачных и AI-технологий, открыла лабораторию квантовых вычислений. Ее цель – объединение существующих и будущих решений в области квантовых вычислительных систем в облачной инфраструктуре.
Сейчас на серверах компании идет развертывание двух эмуляторов квантовых вычислительных устройств. Разработчиками эмуляторов являются специалисты научно-технологической экосистемы Российского Квантового Центра и организации S-Quantum, созданной исследователями Центра Квантовых Технологий МГУ им. М.В. Ломоносова. Обе компании специализируются на создании квантовых вычислителей на различных архитектурах, эмуляторов, интерфейсов облачного доступа, а также квантовых алгоритмов и приложений.
В ближайшей перспективе платформа Cloud.ru для ML-разработки полного цикла и совместной работы DS-команд (ML Space) будет расширена функционалом эмуляторов квантовых вычислительных устройств, что позволит разрабатывать квантовые алгоритмы на суперкомпьютерах, а также искать задачи, которые значительно эффективнее решаются в квантовой формулировке, чем в классической.
В дальнейшем, облачный доступ к реальным квантовым устройствам будет предоставляться посредством Cloud.ru ML Space. Это позволит ускорить обработку информации внутри дата-центров, а возможности компании дадут доступ к квантовым вычислениям большему числу пользователей.
В этом году в корпоративный университет Росатома на факультете по развитию квантовых вычислений стартовал курс «Квантовый инжиниринг». Будущие квантовые инженеры будут осваивать такие дисциплины как квантовые вычислительные алгоритмы, топология, математическая статистика и машинное обучение, динамический хаос, квантовая сенсорика, квантовая оптика, лазерная физика, фотоника, линейная алгебра и др. То есть через 4 года страна получить 70 квантовых инженеров. Удачи!
Что в итоге?
По словам специалистов, недостаточное количество оборудования может сдерживать темп развития индустрии. Для работы нужны криостаты, лазеры и литографы. Часть этого оборудования можно купить у других стран, однако сегодня инженеры и исследователи работают лишь над точечным локальным производством. В России эта область квантовых технологий менее развита, ее начали активно изучать только в 2015 году, а на Западе на 20 лет раньше.
По итогам «Форума будущих технологий» в Москве будет создан центр исследований и разработок в сфере квантовых технологий на базе инфраструктуры инновационного центра «Сколково».
На базе кластера появятся лаборатории, разместятся научные группы Российского квантового центра, откроются стартапы и мелкосерийные производства квантовых продуктов.
Строительство центра планируют завершить к концу 2024 года, объем вложенных инвестиций составит около 6,5 миллиарда рублей. Проект стал ключевым пунктом соглашения о сотрудничестве московских властей с «Росатомом» и Российским квантовым центром, подписанного в рамках Форума будущих технологий «Вычисления и связь. Квантовый мир».
Будем надеяться, что это позволит сократить существующий разрыв в области квантовых вычислений, и поднимет на новый уровень как работу в этой области, так и в сопутствующих областях, например в промышленном производстве необходимого оборудования.