К концу 20 века в науке сформировалось понимание того, что решение ряда задач с помощью обычных, классических компьютеров невозможно или, по крайней мере, требует огромного количества времени. К таким задачам относятся, например, моделирование физических процессов в сложных квантовых системах, криптоанализ, машинное обучение, обработка данных. Математически доказано, что есть вычислительно сложные задачи, с которыми квантовые компьютеры будут справляться, в то время как даже самые мощные из потенциально возможных суперкомпьютеров решить их за обозримое время не смогут. Это явление получило название "квантового превосходства", и, как мы помним, в конце 2019 года компания Google объявила о том, что ей удалось этого превосходства достичь, хотя и не без оговорок. 

Но даже если принять достижение квантового превосходства как данность, все же говорить о том, что "квантовое будущее" уже наступило, преждевременно. Сложные задачи, представляющие практический интерес, квантовым компьютерам пока не под силу – их вычислительной мощности на сегодняшний день недостаточно, а ее увеличение оказывается не такой простой задачей.

Дело в том, что квантовые системы – одиночные атомы, фотоны или искусственные микроструктуры – объекты очень деликатные, и чтобы использовать их для обработки информации, необходимо как можно лучше изолировать их от окружающей среды, взаимодействие с которой приводит к разрушению квантового состояния (декогеренции). В то же время, этими состояниями надо уметь хорошо управлять, поэтому разработчики квантовых компьютеров вынуждены решать очень сложную задачу – создавать большую квантовую систему, в которой будут только нужные для алгоритма взаимодействия, а все остальные будут сведены к минимуму. На практике это сделать крайне сложно, и в современных системах достаточно часто возникают ошибки. Такие ошибки, в принципе, можно исправлять, как это делается, например, в системах цифровой связи, но это требует использования избыточного кодирования, и размер квантовой системы, нужной для реализации алгоритма, многократно возрастает. Для современной технологии полноценная коррекция ошибок – всё ещё непосильная задача. Так что универсальные квантовые компьютеры, удовлетворяющие ожиданиям ученых и в реальности способные радикальным образом изменить мир, по крайней мере в некоторых его областях, - задача будущего. Впрочем, может быть, уже не такого отдаленного – над созданием квантовых компьютеров активно работают такие технологические гиганты как уже упомянутая Google, IBM, Intel, Microsoft.

Другое направление в области квантовых вычислений, благодаря которому уже сегодня ученые могут детально изучать квантовые системы и решать некоторые прикладные задачи - это квантовые симуляторы.

Квантовый симулятор – это вариант квантового вычислителя, в котором управляемые квантовые объекты имитируют и эффективно предсказывают поведение реальных квантовых систем. Например, система из одиночных холодных атомов в оптической решётке, создаваемой лазерными лучами, может моделировать процессы, происходящие в сложных твердотельных системах, таких как высокотемпературные сверхпроводники.

Преимуществом симулятора является то, что экспериментатор полностью контролирует систему, может настраивать взаимодействие между отдельными атомами, а также имеет доступ к каждому из атомов в решётке в отдельности, что немыслимо в случае обычной кристаллической решётки.

Квантовый симулятор, в отличие от "настоящего" квантового компьютера, является по сути аналоговой вычислительной машиной. Здесь можно провести некоторую аналогию с исследованием, например, аэродинамики самолёта с помощью обдувания его модели в аэротрубе с контролируемыми параметрами течения.

Традиционные квантовые симуляторы – узконаправленные вычислители, с помощью которых можно решать не любые задачи, как на универсальном компьютере, а лишь задачи определенного типа. Например, с помощью квантовых симуляторов уже сейчас можно рассчитать свойства простых материалов или исследовать свойства атомного ядра.
Использование симуляторов также позволяет в управляемом режиме разработать более эффективные алгоритмы для компенсации ошибок, неизбежных в квантовой системе, увеличить время жизни кубитов (логических единиц информации в квантовых компьютерах), отработать настройки квантовой системы и т.д. В этом смысле симуляторы - предшественники универсальных квантовых компьютеров.

Дальнейшее развитие симуляторов, которое, полагаем, продолжится и после того, как появятся работающие квантовые компьютеры, даст колоссальные возможности для новых исследовательских проектов. Тем более что сейчас активно развивается направление программируемых квантовых симуляторов, допускающих изменение параметров в процессе функционирования. Это расширяет класс задач, которые можно решить с помощью таких систем, и, соответственно, делает их более универсальными.

Сейчас для реализации квантовых компьютеров и симуляторов используют разные платформы. Это могут быть как естественные квантовые объекты, такие, как одиночные атомы, молекулы, фотоны, так и искусственные системы, например, специально разработанные сверхпроводящие структуры. Каждая из упомянутых систем обладает рядом преимуществ и недостатков. Доминирующая технология для создания платформ квантовых компьютеров и симуляторов не определена, развитие идет сразу во всех направлениях.

Мы в Центре квантовых технологий, созданном на физическом факультете МГУ в рамках Национальной Технологической Инициативы, разрабатываем две платформы: на основе одиночных холодных атомов в оптической ловушке и на базе одиночных фотонов в линейно-оптических сетях. Первая платформа привлекает ученых своей относительной устойчивостью к шумам и внешним воздействиям, а вторая - широкими возможностями в области масштабирования системы и принципиальной устойчивостью к ошибкам. Цель, которая стоит перед нами – до конца 2021 года создать 50-кубитный симулятор на базе двух платформ, которые могут работать как параллельно, так и по отдельности. К данным системам будет организован доступ через интернет и квантовые вычисления можно будет получить как услугу, из "облака". Это, кстати, магистральный путь для коммерциализации квантовых технологий во всем мире.

Симуляторы, над которыми мы работаем, позволят решать такие прикладные задачи как быстрый поиск в неструктурированных базах данных, ускорение поиска глобального оптимума при анализе рынка, ускоренное проектирования структуры новых материалов. Например, уже система из нескольких кубитов может быть использована для моделирования свойств простейших молекул. Система из нескольких десятков хорошо контролируемых кубитов сможет подступиться к химическим задачам, которые будут уже на грани возможностей классических методов, например, поиску эффективных катализаторов. Можно экспериментировать и с оптимизационными задачами, например, одним из возможных приложений среднемасштабных квантовых компьютеров может стать определение пространственной структуры молекул сложных белков.

На развитие этого проекта выделены два гранта – от РВК в рамках программы Центра компетенций НТИ и от Фонда перспективных исследований.

Со стороны Центра квантовых технологий над проектом работают более 20 человек. Сектор квантовых вычислений, который занимается этим проектом, включает четыре лаборатории – квантовой оптики, вычислений на холодных атомах, линейно-оптических вычислений и небольшой теоретический отдел. Каждая лаборатория отвечает за свой участок работы, но, естественно, большое количество задач требует совместной деятельности.

Помимо сотрудников Центра квантовых технологий, активное участие в работе над проектом принимают наши коллеги из университетов и научно-исследовательских институтов, входящих в консорциум ЦКТ. Дело в том, что это крайне масштабный проект, который требует как больших финансовых затрат, так и большой экспериментальной, исследовательской, научной работы, и одной организации справится с такой задачей не под силу. Например, разработкой интегральной оптики для фотонного компьютера занимаются учёные из МГТУ им. Н.Э.Баумана и ВНИИА им. Духова, а в атомном проекте активное участие принимает группа учёных из Новосибирского ИФП СО РАН.

Надо отметить, что заложенные в проекте параметры квантового вычислительного регистра – хоть и не рекордные в мире, но вполне на уровне тех результатов, которые демонстрируют лучшие исследовательские группы в других странах.

Самый сложный из существующих квантовых симуляторов насчитывает 53 кубита. Этот симулятор в 2017 году был создан учеными из университета штата Мэриленд (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST). В качестве платформы для него были использованы холодные ионы иттербия. Для понимания масштаба: 53 кубита могут быть использованы для имитации более квадриллиона различных магнитных конфигураций кубитов.

Немногим ранее группа ученых из Гарвардского университета и MIT создали 51-кубитный квантовый симулятор на базе атомов рубидия.

Не уступают по масштабам и цифровые системы – квантовые процессоры компании Google имеют более 50 кубитов, процессоры из десятков кубитов разработаны и их конкурентами из IBM, Rigetti и других компаний.

В России ведется ряд проектов, развивающих технологии квантовых вычислений. Кроме упомянутого проекта нашего Центра, уже несколько лет ведётся разработка сверхпроводящего процессора, над которым работают учёные из обширного консорциума, куда входят МИСиС, ИФТТ РАН, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ВНИИА им. Духова, РКЦ и другие организации. В 2020 году должен стартовать масштабный проект по созданию отечественных квантовых вычислительных устройств на базе ГК Росатом, призванный объединить усилия различных исследовательских групп для решения этой поистине амбициозной задачи.

Ста­нис­лав Страу­пе 
стар­ший на­уч­ный сот­рудник Цен­тра кван­то­вых тех­но­логий МГУ

Источники

Квантовые симуляторы - шаг к "квантовому будущему"
Comnews.ru, 12/05/2020
Квантовые симуляторы - шаг к "квантовому будущему"
Новости Телекома (novostel.ru), 12/05/2020
Квантовые симуляторы - шаг к "квантовому будущему"
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 12/05/2020

Похожие новости

  • 02/09/2020

    РАН обсудит утрату права на экспертизу работы крупнейших научных и учебных центров

    ​Сегодня президиум Российской академии наук (РАН) соберется на «экстренное заседание», посвященное угрозе значительного урезания полномочий академии. Разработанный Минобрнауки проект правительственного постановления освобождает ряд организаций от обязательной научной экспертизы со стороны РАН — речь идет прежде всего о Курчатовском институте, а также подведомственных правительству МГУ, СПбГУ и НИУ ВШЭ.
    475
  • 07/11/2019

    Масштабный проект по созданию квантового компьютера запускает Росатом

    Госкорпорация "Росатом" запустила масштабный проект по созданию отечественного квантового компьютера и библиотеки квантовых алгоритмов. Проектный офис по реализации этой инициативы, чей бюджет составит 24 млрд рублей, возглавил Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра.
    1071
  • 02/09/2020

    80 лет со дня рождения Сергея Стенина

    1 сентября — день рождения Сергея Ивановича Стенина — блестящего ученого, талантливого организатора, основателя научной школы, выпускника НГТУ НЭТИ. Сегодня ему бы исполнилось 80 лет. Во многом именно благодаря этому человеку Институт физики полупроводников им.
    657
  • 13/03/2020

    Первый отечественный детектор для системы квантовой связи создают в России

    ​Группа российских ученых разрабатывает первый отечественный детектор одиночных фотонов для использования в линии квантовой связи. Устройство позволит в несколько раз повысить качество и устойчивость связи и существенно сократить размеры оборудования для квантовой передачи информации, сообщили в четверг ТАСС в пресс-службе Российской венчурной компании (РВК).
    698
  • 28/01/2020

    «Открытую лабораторную» проведут в День российской науки

    ​8 февраля состоится четвертая по счету просветительская акция «Открытая лабораторная». Каждый желающий сможет проверить свою картину мира с точки зрения передовых естественно-научных знаний. Поучаствовать в «Лабе-2020» можно будет как офлайн, так и онлайн на сайте laba.
    1654
  • 14/08/2019

    Физический институт РАН получил максимальный грант в 2019 году

    Физический институт имени Лебедева Российской академии наук (РАН) получил максимальный грант Министерства науки и высшего образования РФ в размере более 280 млн рублей на обновление приборной базы в рамках нацпроекта "Наука".
    1203
  • 04/01/2019

    Юбилей академика Александра Васильевича Латышева

    ​Александр Васильевич Латышев родился 4 января 1959 года в г. Булаево Северо-Казахстанской области. В 1981 году окончил Новосибирский госуниверситет по специальности «физика». Далее — в Институте физики полупроводников им.
    1185
  • 14/05/2020

    30 молодых исследователей получат премии в сфере науки и инноваций

    Аспирантка Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Алина Герасимова стала лауреаткой конкурса мэрии Новосибирска на присуждение премии в сфере науки и инноваций, сообщили в пресс-службе ИФП СО РАН.
    969
  • 25/10/2019

    Новосибирская аспирантка получила стипендию правительства России

    ​Восемь аспирантов институтов Сибирского отделения РАН получат стипендии правительства России; ежемесячная доплата составит 10 тысяч рублей.  Аспирантка Института физики полупроводников имени А. В.
    600
  • 09/09/2016

    Академику Багаеву Сергею Николаевичу исполняется 75 лет

    ​Сергей Николаевич Багаев родился 9 сентября 1941 г. в Новосибирске. Окончил Новосибирский государственный университет в 1964 г. С 1965 по 1978 г. - стажер-исследователь, младший научный сотрудник, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Института физики полупроводников СО АН СССР.
    4473