К 2030 году Россия планирует решить на квантовом компьютере первую действительно полезную задачу. Сегодня подобный поиск ведется во всем мире. Советник генерального директора «Росатома» Руслан Юнусов рассказал о технологических новациях в сфере квантовых вычислений и роли госкорпорации в развитии квантовых вычислений в России.
Каких реалистичных целей в области квантовых вычислений вы хотели бы достичь до 2030 года?
К 2030 году нам хотелось бы перейти к решению практических задач. Не просто практических, так чтобы превзойти условный суперкомпьютер, а полезных задач. Если мы хотя бы на одной полезной задаче превзойдем суперкомпьютер — это будет очень мощный шаг вперед. Хотя это будет сложно сделать. В мире эта задача тоже не решена. Было показано квантовое превосходство, когда квантовый компьютер был лучше, чем суперкомпьютер, но на бесполезной задаче.
Что же надо сделать чтобы решить полезную задачу лучше, чем суперкомпьютер? Для этого нужно решить несколько инженерных задач: нужно увеличить количество кубитов и улучшить качество операций между ними. Но просто так, в лоб, эта задача не решается или решается тяжело.
Например, сделать чип с миллионом сверхпроводящих кубитов — не сложно. Проблема в том, что работать нормально он не будет. То есть количество ошибок достаточно высокое, и начиная с 50 или 100 кубитов уже нет смысла «включать» остальные кубиты. Очень быстро нарастает ошибка вычислений.
Сегодня самые мощные квантовые компьютеры — например, на ионах — имеют порядка 50 кубитов. Они мощнее чем, например, сверхпроводящие именно за счет того, что качество операции выше.
| Направление развития | Ключевой показатель | Целевое значение к 2030 году | Контекст |
|---|---|---|---|
| Аппаратные решения | Создание квантового вычислителя рекордного объема | 300 кубитов | Продолжение работ по платформам на ионах, нейтральных атомах, фотонах и сверхпроводниках |
| Программное обеспечение и алгоритмы | Разработка новых квантовых алгоритмов | 54 новых алгоритма | В дополнение к 34 алгоритмам, созданным на первом этапе. Фокус на задачи оптимизации, химии, моделирования и обработки больших данных |
| Инфраструктура и сервисы | Запуск облачной платформы для доступа к квантовым вычислениям | Не менее 10 000 пользователей | Создание отечественного сервиса для решения прикладных задач, развитие экосистемы |
| Прикладные исследования и внедрение | Проверка научных гипотез для народного хозяйства | Не менее 100 гипотез | Формулирование конкретных технических требований для будущих решений. Переход от исследований к практическому применению в отраслях |
| Кадровое обеспечение /Образование | Подготовка специалистов с высшим образованием (бакалавриат/специалитет) | 8 300 человек | Формирование системы квантового образования для обеспечения индустрии кадрами |
| Подготовка специалистов (магистратура/спец. образование) | 2 600 человек | ||
| Подготовка специалистов (аспирантура) | 800 человек | ||
| Финансирование | Общий объем финансирования дорожной карты (2025-2030 годы) | > 29 млрд. рублей | За счет средств федерального бюджета и внебюджетных средств Росатома (паритетное софинансирование, как на первом этапе) |
| Научно-техническая экспертиза | Оценка прогресса и результатов | Возложена на Научный совет РАН «Квантовые технологии» и группу экспертов Технической академии Росатома | |
| Стратегическая цель | Формирование полноценной квантовой индустрии в России для повышения эффективности экономики и социальной сферы, практическое промышленное использование квантовых технологий |
Как решается проблема качества при масштабировании квантовых чипов?
Возьмем для примера ионную платформу. На двух кубитах самое высокое качество операций сейчас демонстрируется именно на ней. Но, если постепенно добавлять в систему новые и новые ионы, то они начинают друг другу мешать. Условно говоря, они начинают «разговаривать» друг с другом, и количество ошибок на первых двух ионах начинает расти.
Сегодня в 3D-ловушки, где у нас в России лучшие решения сделаны, мы можем ловить до 150 ионов, но при этом более-менее разумную работу мы можем организовать с 20−50 кубитами. Именно потому, что количество ошибок растет, когда появляются всё новые и новые соседи. Это связано с тем, что каждый ион в системе чувствует другой ион, даже дальний. Поэтому они реагируют друг на друга.
Чтобы решить эту проблему, мы хотим перейти от 3D-ловушек к 2D. Казалось бы, три измерения лучше, чем два. Но на самом деле 3D-ловушки — это в реальности одномерные квантовые компьютеры, 1D. Это фактически «струна» в вакууме, где ионы стоят друг за другом в одной цепочке.
Однако, чтобы сформировать эту цепочку, нужно создать сложную трёхмерную структуру из электродов — такую конструкцию, внутри которой получится одномерная «нить» из ионов.
Двумерные ловушки позволяют сформировать гораздо более сложные структуры из ионов. Но и это еще не все, в 2D-ловушках можно физически перемещать ионы, не испортив их информационное состояние. И это ключевая особенность.
Поясню. Например, если у нас два иона и соседей нет, то у них очень высокое качество операций. Когда мы сформировали 2D-массив из 50 ионов, и нам, например, надо провести операцию над первым и 19-м ионом, мы берём первый ион и физически перемещаем его подальше от других. 19-ый так же физически перемещаем подальше к этому первому. Так мы можем провести операцию между первым и 19-м, а остальные ионы нам не мешают. Мы провели операцию, потом обратно встроили в систему первый и 19-ый. Получается, так мы можем работать со всеми ионами в системе, не ухудшая качества операций. То есть мы добавили новое качество — транспортировку. И это открывает новые возможности.
Поэтому мы сейчас рассматриваем 2D-технологию как перспективную к 2030 году. Конечно, мы будем совершенствовать и 3D-ловушки, но, я думаю, на горизонте 2030 года 2D-ловушки уже будут работать лучше, чем 3D-ловушки. Соответственно, мощность квантового компьютера на ионах, именно в 2D, будет намного-намного выше.
Если мы говорим про другие физические платформы квантовых компьютеров, то там, чтобы перейти в будущем к большому количеству кубитов и мощным квантовым вычислениям, тоже надо думать о том, как кластеризовать вычисления.
Как можно взять одну группу кубитов и объединить ее с другой? Это технология интерконнекта, которая может быть по-разному реализована.
Следующий этап квантовых интерконнектов — это «квантовый интернет». От обычного интернета он отличается только тем, что информация, передаваемая по волокну, сохраняет свое квантовое состояние и не разрушается.
Когда появится нужная технология, можно будет собирать кластеры из большого количества кубитов. Например, у нас есть 100-кубитный квантовый процессор, и мы можем с помощью интерконнекта соединить его с другим 100-кубитным. Это будет похуже, чем если бы 200 кубитов вместе были на одном чипе, но это точно будет расширять возможности квантовых вычислений.
Собирая такие кластеры, мы сможем перейти к мощным квантовым вычислениям. Однако проблема квантового интерконнекта до конца еще не решена. Мы видим эксперименты в лабораториях, но пока качество передачи в этом интерконнекте не такое высокое. Недостаточное, чтобы получить преимущества.
Инженеры и ученые пытаются решить эти проблемы количества и качества кубитов. Часто они решаются не по пути «нужно сделать чип получше», а нужно добавить какое-то новое свойство. Транспорт, интерконнект или ещё что-то.
В мире и в России, как нам видится, к 2030 году нужно идти именно этим путем. Такие разработки ведутся во всем мире сейчас.
Не слишком ли это долго? Вытаскивать ионы, потом ставить на место?
Если выигрыш в качестве операций большой, то мы не обращаем внимания на время проведения операций. В квантовых вычислениях сейчас нет проблем со скоростью операций. Мы можем себе позволить и в 10 раз, и 100 раз, и в 1000 раз медленнее проводить операции, если мы получим хорошее качество этих операций. Сейчас этот обмен все ученые в мире готовы произвести.
В классических вычислениях это работает по-другому. Если инженеры предложат сделать процесс, в котором ещё в тысячу раз меньше вероятность ошибки, но скорость будет ниже в тысячу раз, то им ответят: не надо, у нас итак ошибок почти нет, нам важнее проводить вычисления быстрее.
Зачем нам все 50 кубитов, если операция в моменте проводится только с двумя?
Потому что следующая операция может быть между 19-м и 34-м ионом. Любой сложный квантовый алгоритм можно разложить на последовательность простых операций. Достаточно уметь выполнять три типа однокубитных операций и одну двухкубитную. Этого набора хватит, чтобы построить сколь угодно сложный алгоритм. Мы задействуем все кубиты, но делаем это последовательно, попарно.
То есть всегда проводятся либо однокубитные операции, либо двухкубитные?
Этого достаточно. Иногда в некоторых реализациях, например, на тех же ионах, можно делать операции типа гейта Тоффоли. Это многокубитные операции: можно изменить состояние 10 кубитов сразу. Часто это позволяет получить меньше ошибок, чем прийти к такому же эффекту, изменив много-много раз попарно.
Но всегда, к любой сложной операции можно прийти с помощью попарных (двухкубитных) операций и однокубитных. Так же и в классических вычислениях устроено. Например, если мы хотим число 112 сложить с числом 54, то мы можем сразу их сложить. Но классический компьютер разбивает этот процесс сложения на очень большое количество отдельных операций «и», «или» и так далее. У него тоже четыре основных логических операции.
Почему за развитие квантовых вычислений в России отвечает именно «Росатом»? Это же не его классическая атомная сфера. Почему госкорпорация взялась за эту очень сложную область научно-исследовательских разработок?
Кажется, что когда дорожные карты распределялись между госкорпорациями и крупными организациями, как зоны их ответственности, квантовые компьютеры были признаны одной из самых сложных технологических задач, а может, и самой сложной.
Поэтому вопрос, на мой взгляд, должен лежать в другой плоскости: а какие госкорпорации в России могут решить эту сложную задачу? На мой взгляд, «Росатом» самая продвинутая технологическая госкорпорация, способная решать такие сложнейшие задачи.
Я не говорю, что «Росатому» не нужен квантовый компьютер. Он нужен всем. Но «Росатом» может лучше всего справиться с задачей создания квантового компьютера.
Вторую часть интервью с Русланом Юнусовым читайте по следующей ссылке.
