Формула будущего: сможет ли Россия первой создать квантовый компьютер

В феврале 2018 года было объявлено о создании квантового консорциума, в который вошли МГУ им. М.В. Ломоносова, Фонд перспективных исследований (ФПИ), Внешэкономбанк (ВЭБ) и ряд других российских организаций. В начале июня были сформулированы цели консорциума: его первоочередной задачей станет разработка двух прототипов 50-кубитных квантовых вычислителей на основе нейтральных атомов и интегральной оптике.

Амбиции у проекта более чем серьезные: за три года усилиями объявленного консорциума планируется не просто создать две различные платформы для квантовых вычислений, но и начать решать с их помощью важные практические задачи. Например, по созданию новых материалов. Позволит ли текущий проект создать России настоящий квантовый компьютер?

Кванты под наблюдением

В январе 2017 года журнал Nature — одно из самых авторитетных научных изданий — опубликовал статью о том, что квантовые компьютеры уже готовы к тому, чтобы «выскочить из лаборатории». Несмотря на то что за прошедшее время полноценный квантовый компьютер еще не создан, последние полтора года квантовые технологии являются одним из наиболее обсуждаемых научных направлений. Поводов для этого достаточно, поскольку в «квантовой гонке» участвуют ведущие мировые исследовательские центры, такие как Гарвардский университет и Массачусетский технологический институт, и крупные IT-компании в лице Google, IBM, Microsoft, Intel, Alibaba и многих других. В Европе и Китае, чтобы не отставать от США, запускаются масштабные программы развития квантовых технологий. Эти программы дают свои первые плоды. По данным Bloomberg, c 2013 года Китай обгоняет США по количеству патентных заявок в области квантовых вычислений.

В России квантовые технологии также под пристальным вниманием. О том, чтобы создать в России экспериментальные платформы для квантовых вычислений, сравнимые с результатами Google или группы из Гарварда, говорят много и на разных уровнях. Теперь у объявленного консорциума появился проект, претендующий на большее.

Однако поставленные сроки вызывают вопросы. Во-первых, если судить по научным публикациям, то к созданию своих платформ группы Михаила Лукина и Джона Мартиниса шли десятки лет. Возможно ли сделать это (даже с учетом консолидации усилий и имеющейся базы) за 3 года?

Во-вторых, амбиции проекта распространяются не только на построение прототипов квантовых компьютеров, но и решение с их помощью практических задач. Например,в сфере моделирования новых материалов. В этом направлении пока не преуспели даже лидеры квантовой гонки. Возможность квантовых компьютеров решать задачи быстрее, чем на традиционных полупроводниковых называется квантовым превосходством. Пока его удается продемонстрировать только в специально сконструированных задачах, далеких от решения практических проблем.

В-третьих, работа требует существенных ресурсов. Один только Google на свои исследования затратил более $100 млн. А суммарные вложения ведущих мировых групп, включая IT-компании, а также активно развивающих данное направление Европы и Китая, превысили $1 млрд. Это намного больше средств, выделяемых на эту область в РФ.

В итоге желание достигнуть обозначенной цели за 3 года впечатляет и вызывает уважение. Тем не менее выбранная стратегия ставит больше вопросов, чем дает ответов.

Смена лошадей

Основными «рабочими лошадками» квантовых компьютеров являются кубиты. За счет необычного явления – квантовой суперпозиции – квантовые биты могут быть и логическим нулем «0», и логической единицей «1» одновременно (в отличие от классических битов, которые могут быть лишь в одном из этих состояний). (Подробнее принцип работы квантовых компьютеров описан здесь — Forbes ) Такой «параллелизм» дает квантовому компьютеру колоссальные преимущества над классическим при решении целого класса задач — он одновременно проводит массу вычислений, на которые обычным компьютерам понадобилось бы долгое время. Чем больше кубитов, тем больше преимущество при прочих равных. Но просто кубитами производительность не измерить, так как они выполняются по разной технологии. Условно, можно считать на счетах, а можно на палочках. Инструменты сейчас чуть сложнее, но выбор есть.

Большинство ведущих разработчиков квантовых компьютеров используют кубиты, основанные на сверхпроводниках: именно так работает самый большой и «самый квантовый» в мире на сегодняшний день компьютер от Google, а также доступные в облаке компьютеры IBM и Righetti. В России первым созданным и измеренным был также сверхпроводниковый кубит — его реализовали ученые из Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Российского квантового центра, МИСиС и ИФТТ РАН при поддержке ФПИ.

В проекте выбраны кубиты на основе нейтральных атомов и интегральной оптике. Опыт разработки подобных систем в России есть, но в мире ультрахолодные атомы, ионы или интегрально-оптические системы, рассматриваются как основа для квантовых симуляторов. Квантовые симуляторы — это узкоспециализированные квантовые компьютеры, направленные на решение определенных (достаточно узких) классов задач.

Если на «индустриальное» лидерство сверхпроводящих кубитов делают ставки такие гиганты, как Google и IBM, эта технология есть и развивается в России, то не в полной мере ясно почему в рамках одобренного проекта выбор пал именно на атомы и интегральную оптику. Поддержка технологий кубитов на сверхпроводниках в России и организация масштабного проекта могли бы дать этому направлению второе дыхание, что, в свою очередь, могло бы привести к серьезному ускорению в квантовой гонке.

Без права на ошибку

Состояния суперпозиции, в которых живут кубиты, являются очень хрупкими. Любое неконтролируемое воздействие окружающей среды может их разрушить, что приводит к ошибкам в вычислениях. Для проведения вычисления с 1’000 логических (идеальных) кубитов поэтому требуется 1’000’000 или даже больше физических (кубитов). При этом большая часть физических кубитов используется не для решения задачи, а для коррекции ошибок. Возможность реализации кодов коррекции ошибок является одним из ключевых преимуществ 72-кубитного квантового чипа Google.

В одобренном техническом задании проекта, которым будет заниматься консорциум, нет четкой грани между разработкой физических или логических кубит. При этом указано, что необходим выполнять «универсальный набор логических операций». Можно предположить два возможных сценария.

Возможно, но практически без прикладного эффекта. В первом сценарии речь идет о создании системы из 50 физических кубитов, в которой принципиально возможно выполнять логические операции, но с ошибками. В таком случае подобная система не выглядит более продвинутой, чем уже созданные 51-кубитный симулятор Михаила Лукина или 53-кубитный симулятор Криса Монро. О решении релевантных задач материаловедения с использованием таких систем говорить не приходится: доступного ресурса не хватит, чтобы сравниться с классическими технологиями моделирования. Стоит отметить, что, несмотря на отдаленность от практических результатов, реализация такой системы является интересной с научной точки зрения.

Крайне полезно, но практически невозможно. Если же предположить второй сценарий и речь идет о создании квантового компьютера на 50 логических кубит, то достигнуть этого за три года будет крайне тяжело. Такое устройство, безусловно, рано или поздно будет создано, но столь амбициозные задачи в крайне короткий временной промежуток сегодня не ставят перед собой даже мировые лидеры квантовой гонки.

Свежая кровь

Можно ли достигнуть прорыва без привлечения международной экспертизы и специалистов из числа мировых лидеров на сторону России в квантовой гонке? Кто сможет дать адекватную и независимую оценку проекта, если его развитие пойдет «не по сценарию»? Сейчас в области квантовых вычислений носителями экспертизы являются ученые. Большинство мировых научных центров используют практику международных научных консультативных советов, которые помогают объективно оценивать результаты продвижений по проекту. В этом случае России повезло: в квантовой физике существует сильная и развитая русскоговорящая диаспора. Какова ее роль в проекте?

Безусловно, к проекту есть много вопросов. С учетом специфики области и неоспоримой сложности поставленных задач в этом нет ничего удивительного. При этом необходимость продвижения отечественных проектов в области квантовых вычислений не вызывает сомнений.

Тем не менее мы видим, что за последнее время появилось много новых организационных форм развития науки. Лидеры квантовой гонки, например, Google и Microsoft, создают не просто собственные научные центры, но и строят их на основе мобильной и открытой парадигмы, позволяющей консолидировать усилия. Такой опыт развития квантовых технологий может помочь и в России.