Как Россия стала одним из лидеров квантовой гонки — и что планирует получить в результате

Что такое квантовые технологии? И почему их считают прорывным направлением исследований?

Квант — наименьшая дискретная единица физической величины (например, энергии), которая может быть передана или обменена в ходе взаимодействия. Базовые принципы современных квантовых технологий суперкратко звучат так:

• Квантование величин: энергия, момент импульса и другие физические параметры могут принимать лишь определенные дискретные значения.
• Принцип неопределенности: невозможно предсказать исход конкретного измерения, можно лишь вычислить вероятность получить тот или иной его исход.
• Принцип суперпозиции: частица может находиться в нескольких состояниях одновременно.
• Принцип запрета клонирования: нельзя создать точную копию квантового состояния.

Из этих принципов вытекают многие сильные и слабые стороны квантовых технологий. И речь тут не только о тех квантовых эффектах, что уже лежат в основе полупроводниковых приборов, лазеров, оптоволоконной связи, ядерной энергетики и медицинской диагностики. Хотя стоит напомнить, что именно за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи дали Нобелевскую премию по физике 2025 года.

Но потенциал квантовой механики не ограничивается этими областями. Сегодня активно развивается направление квантовых технологий, основанных на фундаментальных принципах квантовой механики. Их принято делить на три ветви: квантовые вычисления, квантовая криптография (коммуникации) и квантовая сенсорика.

За первую ветвь отвечают квантовые компьютеры, способные решать задачи, недоступные классическим. Квантовая криптография обеспечивает абсолютно защищенную передачу данных, без возможности перехвата сообщения посторонними. А квантовые сенсоры позволяют проводить измерения с точностью, выходящей за пределы возможностей классических приборов. Так работают уникально чувствительные магнитометры на джозефсоновских контактах, сходно ученые надеются серьезно повысить точность систем навигации по спутниковым сигналам.

Что такое квантовые вычисления?

Идею квантового компьютера (КК) в 1981 году первым сформулировал Ричард Фейнман в докладе о моделировании физических процессов. Он подчеркнул, что все явления подчиняются квантовым законам, а классическая физика — лишь их приближенное описание. При этом моделирование даже простых квантовых систем с помощью классических машин сталкивается с проблемой экспоненциального роста вычислительной сложности.

О чем конкретно идет речь? Если поведение одного кванта предсказуемо и относительно легко моделируется, то при увеличении числа частиц количество возможных состояний системы растет настолько быстро, что даже самые мощные классические суперкомпьютеры не справляются с задачей. Это связано с тем, что классический компьютер оперирует битами, которые могут принимать одно из двух состояний: 0 или 1.

Таким образом, система из N битов может одновременно находиться только в одном из 2^N (двух в степени N) возможных состояний. В отличие от этого, в квантовых вычислениях основная единица информации — кубит. Он отличается от бита тем, что может находиться в состоянии суперпозиции 0 и 1, что позволяет ему представлять оба состояния одновременно.

Фейнман впервые предложил концепцию квантового симулятора — квантовой системы, способной воспроизводить поведение более сложной квантовой системы, оставаясь при этом управляемой и предсказуемой. Такой подход позволил бы изучать новые квантовые явления, такие как сверхпроводимость и магнитные фазовые переходы. Причем вместо громоздких классических вычислений сложные уравнения решала бы сама природа. Кроме симулятора, физик предложил концепцию универсального квантового компьютера — устройства, которое можно перенастроить для решения различных задач, а не только для моделирования конкретных физических процессов.

У этих компьютеров есть свой спектр задач, ведь, вопреки распространенному мнению, цель квантовых компьютеров не в полной замене классических. Зато они могут решить задачи, с которыми классические машины не справляются.

Так, современная криптография, включая широко используемое шифрование RSA, основана на сложности факторизации больших чисел, получаемых в результате перемножения двух простых множителей, которые, в свою очередь, делятся только на себя и на единицу. Факторизация такого произведения требует огромных вычислительных ресурсов, что не позволяет классическим алгоритмам производить ее с требуемой скоростью.

В 1994 году Питер Шор предложил квантовый алгоритм, который разлагает числа на простые множители экспоненциально быстрее классических методов. В конкретных цифрах: для факторизации числа длиной 2048 символов классическому компьютеру потребуются миллионы лет. Между тем квантовый алгоритм справится с этим за считаные минуты, что позволит взламывать большинство современных криптографических систем. Алгоритм Шора показал свою работоспособность экспериментально.

Вторая часто встречающаяся задача: поиск элемента в неструктурированной базе данных. Классическим методом он требует в среднем просмотра половины элементов, а в худшем случае — их полного перебора. Алгоритм квантового поиска, разработанный в 1996 году Ловом Гровером, предлагает квадратичное ускорение, при котором нужный элемент находят за количество шагов, пропорциональное квадратному корню из числа записей. Нет нужды пояснять, что это крайне важно в целом ряде практических приложений.

Помимо криптографии и поиска, квантовые алгоритмы находят применение в других сложных задачах. Один из примеров — вариационный квантовый решатель собственных значений (VQE): он позволяет моделировать химические реакции при работе с крупными молекулами с точностью, недоступной классическим компьютерам.

Квантовые вычисления также активно применяются в машинном обучении (ML). Исследователи разрабатывают квантовые версии классических алгоритмов и используют квантовые методы для ускорения обработки данных в традиционных ML-моделях. Помимо этого, активно развиваются так называемые квантово-вдохновленные алгоритмы — алгоритмы для классических компьютеров, однако использующие при этом некоторые принципы из квантовых вычислений. Они повышают производительность классических вычислительных систем, предлагая новые подходы к решению задач оптимизации, кластеризации и обработки больших данных.

Квантовые компьютеры: какие КК в России были в 2020 году и какие есть сегодня

С 2020 года в квантовую тему активно включился «Росатом», которого назначили ответственным за реализацию дорожной карты по развитию квантовых вычислений. В единую команду были объединены более 600 ученых и инженеров из 16 научных институтов и университетов России. Тогда специалисты оценивали отставание нашей страны от лидеров в этой технологии в 10 лет — достаточно сказать, что мощность отечественного квантового компьютера составляла всего два кубита.

В развитие квантовых вычислений в рамках дорожной карты до 2024 года вложили 24 миллиарда рублей, из которых 11,2 миллиарда составили внебюджетые средства «Росатома». В итоге за очень короткий срок создали прототипы квантовых вычислителей на четырех приоритетных в мире технологических платформах: 50-кубитный на ионах, 50-кубитный на атомах, 35-кубитный на фотонах и 16-кубитный на сверхпроводниках.

Почему так много, не проще ли сократить разнообразие платформ? Наличие действующих вычислителей на четырех разных физических платформах важно, поскольку в ближайшие десятилетия специфика каждой из платформ позволит более эффективно решать тот или иной тип задач. А факт достижения 50 кубитов в 2024 году означает, что наши ученые стали ближе к созданию такого квантового компьютера, который в недалеком будущем сможет показать практическое вычислительное превосходство над классическим.

У каждой из платформ есть свои достоинства и недостатки. Сверхпроводниковые кубиты надо охлаждать до жидкого гелия и ниже (до десятка милликельвин). Зато они стабильнее по результатам и проще управляются. Ионная элементная база еще стабильнее, ниже процент ошибок, но увеличивать квантовый регистр с ней очень сложно, поэтому «масштабировать вверх» такие системы затруднительно.

Кубиты на нейтральных атомах проще масштабируются, то есть в теории на них проще сделать многокубитные системы. Но они непросто управляются. Фотоны не требуют глубокого охлаждения, однако в норме они слабо взаимодействуют между собой. Зато фотонные кубиты проще интегрируются с системами квантовой связи на оптоволокне. Из-за всего этого никто в мире пока не может уверенно сказать, какой из этих четырех типов элементной базы перспективнее, — и ставку делают на все четыре.

Всего за несколько лет России удалось стать одной из всего лишь первых шести стран, где работают КК на 50 кубитов и более. Это впечатляет, если вспомнить, что в 2020 году в стране не было даже прототипа квантового компьютера на 10 кубитов.

Кроме того, получилось создать квантовый процессор на основе кудитов — так называют квантовый объект, у которого не два состояния | 0 ⟩ и | 1 ⟩, а больше. Причем число этого «больше» обозначают как d (отсюда буква «д» в названии кудита). Если d=3, то это кутрит, если 4 — кукварт, 5 — куквинт.

Почему это важно? Если мы производим поиск по неупорядоченной базе данных с помощью восьмикубитного алгоритма Гровера, то понадобится либо менее 300 запутывающих гейтов на куквитах, либо около 2000 запутывающих операций, если КК будет построен на кубитах. То есть кудитных операций надо много меньше, чем кубитных для тех же задач — а значит, в перспективе будет проще бороться с их ошибками.

Из всего этого ясно: кудиты выглядят очень перспективным дополнением к классическим кубитам. Стоит отметить, что Россия реализовала кудитные КК третьей в мире. Кроме нас, их на тот момент сделали только Австрия и США.

Одновременно ведется работа по созданию ПО для квантовых вычислений: уже сделана отечественная облачная платформа — будущий сервис по предоставлению доступа как к КК, так и к различным квантовым алгоритмам для вычислений в рамках решения практических задач различных отраслей. С их помощью можно будет решать задачи квантовой оптимизации, квантовой химии, квантового моделирования, обработки больших данных и многое другое.

В результате за 2020-2024 годы Россия перешла от положения отстающей в тройку лидеров квантовой гонки, наряду с США и Китаем, по наличию работающих квантовых вычислителей на всех четырех платформах, а также оказалась в числе первых шести стран, имеющих действующие квантовые процессоры на 50 и более кубитов.

«Создание 50-кубитного ионного квантового компьютера означает, что Россия вошла в число мировых лидеров сферы квантовых технологий… Эта работа проводится для того, чтобы обеспечить технологическое лидерство нашей страны на десятилетия вперед. Следующий шаг — это практическое применение квантовых вычислителей для улучшения жизни людей и придания нового качества нашей экономике» — резюмирует ситуацию глава «Росатома» Алексей Лихачев

Самый мощный российский КК на ионах иттербия

В 2024 году в рамках дорожной карты в нашей стране создали, а в 2025 году в ходе серии исследовательских экспериментов оценили характеристики первого российского 50-кубитного компьютера, построенного по технологии холодных ионов. Он расположен в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и работает на 25 ионах иттербия-171, которые охлаждаются почти до абсолютного нуля и управляются при помощи лазерных импульсов. Поскольку компьютер основан на кудитах (конкретнее — куквартах), он позволяет сохранять и обрабатывать за цикл больше информации, чем обычный КК с тем же числом ионов.

Директор ФИАН академик РАН Николай Колачевский отметил: «Это не просто экспериментальный прототип — это полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности. Помимо этого, мы продолжаем изучать новые подходы к использованию кудитов, где являемся одними из лидеров в мире».

Чтобы убедиться в эффективности нового КК, на нем провели расчеты по алгоритму Гровера (все тот же поиск по неупорядоченной базе данных), а также рассчитали структуру нескольких молекул. Подобные системы могут заниматься разными практическими задачами, от распознавания лиц до считывания ДНК.

Илья Заливако, старший научный сотрудник ФИАН, поясняет детали тестирования так: «На уровне до полусотни кубитов ионные вычислители – наиболее совершенные среди квантовых устройств. При их создании одна из самых сложных задач – научиться делать запутывающие операции, для чего нужно заставить кубиты взаимодействовать друг с другом контролируемым образом. Еще один вызов – увеличение числа кубитов без потери качества и скорости операций. Так, в ходе тестирования были исследованы ключевые характеристики компьютера – достоверность однокубитных и двухкубитных операций, а также время когерентности – согласованной работы кудитов до того, как их квантовое состояние будет разрушено».

Почему было важно протестировать все это? Чтобы защитить кукварты от декогеренции, ученые ФИАН создали новый способ их защиты от колебаний магнитного поля и фильтрации шумов лазера, который управляет частицами. Убедиться в их работоспособности без сложных и длительных испытаний не вышло бы. А, как мы уже отмечали выше, именно минимизация числа ошибок в случае КК может быть главной сложностью в их практическом применении.

Выше речь шла об универсальных квантовых компьютерах — тех, на которых можно реализовать любые квантовые алгоритмы: Гровера, Шора и прочих. С одной стороны, универсальность — хорошо, но одну конкретную специфическую задачу лучше может выполнять специализированная машина.

Скажем, компания D-Wave предлагает именно такие, которые уже сегодня состоят из тысяч кубитов. Это так называемые квантовые симуляторы. Они ищут минимум у очень сложной функции («квантовый отжиг») значительно лучше универсальных машин, хотя и не могут решать каких-либо другие задачи.

Другие виды специализированный вычислителей — гибридные, сочетающие вычислительные устройства на кубитах с классическими нейросетями, которые отсеивают часть ошибок КК. Создаются такие системы и в России: для симуляции конкретных систем, включая атомные реакторы, они зачастую быстрее универсальных вычислителей позволяют скорее перейти к использованию квантовых технологий для решения практических задач.

А знают ли в мире, зачем строят квантовые компьютеры?

В мире в числе самых перспективных сфер применения квантовых компьютеров видят, в первую очередь, медицину и фармацевтику. В моделировании сложных молекул для лекарств и вакцин, а также развитии персонализированных медицинских технологий КК будут незаменимы. Как и в создании новых материалов с заданными характеристиками для дальнего космоса или накопителей энергии.

Еще одна важная область применения — финансовый сектор, к примеру, оптимизация инвестпортфелей или оценка кредитоспособности организации или человека. В логистике применение квантовых вычислений облегчит, потенциально удешевит и ускорит доставку грузов по самым сложным маршрутам.

Пока внедрение квантовых технологий в мире находится на начальном этапе и количество охваченных задач невелико. Но в индустрии крепнет уверенность, что уже в ближайшие 10 лет квантовое преимущество будет достигнуто, а использование квантовых методов решения задач станет повсеместным.

В нашей стране «Росатом» первым запустил отраслевую программу применения квантов. К примеру, уже использовал квантово-вдохновленные алгоритмы в своем проекте «Прорыв» для расчета оптимального распределения топлива между потребителями и оптимальной загрузки своих производственных мощностей. По предварительным тестам, расчет в среднем занимает несколько минут, обеспечивая преимущество во времени расчетов и значительно их ускоряя. В этом же проекте впервые был применен реальный квантовый компьютер: для «Прорыва» с помощью специальных алгоритмов была решена система линейных алгебраических уравнений для расчета задачи теплопереноса.

Квантовые технологии: куда ведут стрелки на дорожной карте?

Недавно была утверждена дорожная карта по квантовым вычислениям на период до 2030 года. Фокусом нового этапа квантового проекта является практическое применение квантовых технологий в различных отраслях промышленности, в первую очередь, в атомной отрасли. Большое внимание будет уделено развитию в России полноценной квантовой индустрии с участием научных институтов, промышленных корпораций, стартапов и центров развития.

В числе целевых показателей дорожной карты до 2030 года – развитие квантовых вычислителей и программного обеспечения для них: планируется создать квантовый вычислитель объемом 300 кубитов, а также разработать и реализовать 54 новых квантовых алгоритма в дополнение к 34, созданным на первом этапе квантового проекта. Разработанное ПО будет применяться для квантовой оптимизации, квантовой химии, квантового моделирования и обработки больших данных.

В интересах развития российской квантовой индустрии дорожной картой предусматривается развертывание облачной платформы для решения прикладных задач применения квантовых вычислений. Количество пользователей, применяющих квантовые вычисления через отечественный сервис расчетов, должно составить не менее 10 тысяч человек.

Предусмотрены и мероприятия по развитию отечественного рынка технологических решений в области квантовых вычислений. В том числе к 2030 году состоится проверка не менее 100 научных гипотез по использованию квантовых вычислений в народном хозяйстве с формулированием конкретных требований к техническому решению.

Финансирование дорожной карты «Квантовые вычисления» будут осуществлять за счет бюджетных и внебюджетных источников, включая внебюджетные средства «Росатома», совокупный объем превышает 29 миллиардов рублей.

В 2026-2030 годах «Росатом» присоединится к исследованиям и разработкам в области квантовых сенсоров. С этого момента при участии ряда ведущих российских вузов, институтов и организаций начнется планирование научных исследований и опытно-конструкторских работ по разработке прототипов квантовых сенсоров. С 2029 года запланировано начало внедрения в отраслях экономики прототипов сверхвысокоточных датчиков и устройств, использующих квантовые эффекты, с характеристиками лучше, чем на классических принципах.

На горизонте 2030 года планируют разработать не менее четырех прототипов квантовых сенсоров и не менее двух внедрить в опытную эксплуатацию на предприятиях ключевых отраслей экономики. За счет внедрения и опытного использования квантовых сенсоров в 10 и более раз должна быть повышена точность измерений на предприятиях в ключевых отраслях экономики.

Квантовые профессии будущего: какие бывают и где их получить?

Одна из самых сложных задач дальнейшего развития квантовых технологий и их применения — массовая подготовка специалистов для квантовой науки и индустрии. Здесь важна не только подготовка профильных специалистов по квантовому направлению — физиков, программистов и инженеров, — но и повышение квантовых компетенций специалистов различного профиля, которые будут внедрять у себя квантовые новации. Врачи, металлурги, фармацевты, машиностроители и энергетики — совсем скоро они наравне с учеными станут строителями квантового будущего.

К 2030 году поставлена цель подготовить 8300 выпускников бакалавриата и специалитета вузов в области квантовых технологий, а число аспирантов достигнет 800.

Где же можно получить квантовые профессии? Первые программы бакалавриата по квантовому инжинирингу и англоязычная магистерская программа в области квантовой электроники и фотоники разработаны и запущены при участии «Росатома» в НИЯУ МИФИ и СПбГЭТУ «ЛЭТИ» соответственно. Стоит добавить к этому программы «Квантовые технологии» в НИТУ МИСИС, «Современные квантовые и нанофотонные системы» в ИТМО, «Фотоника и квантовые материалы» в Сколтехе, программы Центра квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова.

Образовательные мероприятия по квантовым технологиям проводят на площадке участников Национальной квантовой лаборатории. В частности, помимо уже упомянутых вузов, в МФТИ, НИУ ВШЭ, СПбГУ, ННГУ имени Н. И. Лобачевского, ТГУ, КНИТУ-КАИ имени А. Н. Туполева, ДВФУ, КФУ, УрФУ, ЮФУ, АлтГУ, ГУАП, МТУСИ, ТУСУР, РТУ МИРЭА и Университете «Иннополис».

Именно здесь будут готовить кадры, которым предстоит сыграть ключевую роль в квантовых исследованиях и практическом применении квантовых технологий на новом этапе. Вместе с тем эксперты говорят, что квантовое будущее требует нового типа мышления, которое следует формировать с детства. Зачем это нужно?

Мы погружаемся вглубь квантовой сущности мира, учимся взаимодействовать с элементарными частицами, атомами и молекулами, создаем невероятные технологии будущего: квантовые компьютеры, квантовые сенсоры… Будущее уже здесь.

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram