Коллектив Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой является Госкорпорация «Росатом», создал 50-кубитный квантовый вычислитель на ионной платформе. Экспертную поддержку реализации дорожной карты оказала Российская академия наук. Глава РАН академик Геннадий Красников провёл специальную сессию на форуме «Микроэлектроника 2024», участники которой обсудили промежуточный итог деятельности по созданию квантовых вычислителей. Модератором сессии выступил академик РАН Александр Горбацевич.

«Россия показала результаты на четырёх платформах — сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Мы следим за всем, что делается в мире по этому направлению. Ионная платформа обладает определёнными преимуществами, в числе которых полная связность системы», — сказал глава Академии наук, открывая сессию.

Директор по цифровизации Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева рассказала, что в 2019 году, когда стартовала работа над дорожной картой по квантовым вычислениям, наиболее активные споры велись именно о целесообразности развития ионной платформы, которая в то время не имела достаточной экспертизы и задела в России. «Рада, что в тот момент мы приняли правильное решение — работать над ионной платформой. Сегодня самый мощный квантовый компьютер России работает именно на ней», — отметила Екатерина Солнцева и поблагодарила коллектив ФИАНа и других участников проекта.

Впервые российский квантовый вычислитель был представлен Президенту России Владимиру Путину на Форуме будущих технологий (ФБТ) в июле 2023 года. Это был 16-кубитный компьютер на ионах. На втором ФТБ в феврале того же года показали 20-кубитную машину. Менее чем за год российские учёные создали 50-кубитный ионный вычислитель. «Это очень высокая скорость развития. В мире существует не так много лабораторий, которые смогли пройти путь от нуля до 50-кубит за столь короткий срок», — сказала представитель «Росатома».

Она подчеркнула, что обсуждения дорожной карты на площадке Российской академии наук позволяли понимать, в правильном ли направлении движется работа.

Переходя к рабочей программе круглого стола, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН член-корреспондент РАН Николай Колачевский рассказал о принципах работы многокубитных квантовых вычислителей на ионах и их потенциале в решении практических задач.

Основными платформами для квантовых вычислений являются сверхпроводники, атомы и ионы, отметил Николай Колачевский. «Россия относится к одной из немногих стран, где все платформы получили развитие с разной степенью успешности. Ионы на сегодняшний день опережают все другие платформы», — добавил он.

Ключевое свойство квантовых вычислителей — запутанность, «чем человечество ещё не до конца научилось пользоваться в алгоритмическом смысле», — подчеркнул директор ФИАН. Однако потенциал их использования обширен. Например, алгоритм Шора позволят раскладывать числа на простые множители, что имеет прямые применения в криптографии, а алгоритм Гровера осуществлять быстрый поиск по базам данных. Перспективными областями применения могут быть взлом классической криптографии, синтез новых химических лекарств, решение логистических задач, моделирование динамики сложных систем, машинное обучение и другое.

По мнению учёного, на горизонте 2030 года квантовые вычислители будут использоваться в качестве сопроцессора для решения специализированных задач, будут тестироваться коды коррекции ошибок и реализовываться логические кубиты, а лидеров квантовой гонки будут определять освоение и применение технологий микроэлектроники. Но при этом классические компьютеры они не заменят.

«Где-то несколько лет назад были иллюзии, что квантовые компьютеры заменят классические, и у нас будут квантовые телефоны в карманах. Скорее всего этого не произойдёт, всё равно это будут некоторые сопроцессоры <…> Технологическая база, которую мы сможем освоить, будет определять реальное состояние железа», — сказал он.

Для повышения эффективности ионных платформ должны быть решены две задачи — увеличена скорость выполнения операций и решена проблема масштабирования, добавил Николай Колачевский.

Подробнее на работе 50-кубитного ионного квантового вычислителя и квантовых алгоритмах остановился научный сотрудник ФИАНа Илья Заливако.

Например, важным этапом перехода от 16-кубитной системы к 50-кубитной стало решение проблемы считывания. «Раньше мы использовали системы из массива волокон, а теперь перешли к считыванию при помощи высокочувствительных камер. Немного ухудшилась скорость считывания и квантовая эффективность, однако такой подход более масштабируем», — рассказал учёный.

В настоящий момент необходимо увеличивать число кубитов, точность операций, время когерентности, связность, а также оптимизировать вычислители и алгоритмы друг для друга, отметил Илья Заливако. «Наша основная цель — сделать квантовый компьютер, который мы сможем использовать для решения практически полезных задач», — добавил он.

Говоря о масштабировании, коллектив ФИАНа и Российского квантового центра планирует отработать технологии поверхностных ловушек, создать низковибрационные криостаты и отработать техники управления ионными кристаллами на чипе. Кроме того, активно ведутся работы по улучшению качества квантовых операций.

«За последние несколько лет мы на несколько порядков увеличили точность операций и ждём завершения следующей установки, чтобы продвинуться в этом направлении. Здесь мы работаем как с точки зрения улучшения квантовых операций, так и методик защиты кудитов от декогеренции, поиска эффективных способов кодирования информации», — сказал Илья Заливако.

Чтобы эффективно использовать квантовый вычислитель, уже на этапе разработки необходимо думать о задачах, которые он мог бы решать, отметил докладчик: «Мы стараемся адаптировать наше железо под эти задачи, чтобы максимально эффективно расходовать ресурс».

Руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Фёдоров более подробно рассказал о квантовых алгоритмах, которые могли бы участвовать в решении прикладных задач.

Например, гибридный алгоритм квантового машинного обучения был использован для распознавания рукописных цифр и поиска аномалий в изображениях — рентгенах грудных клеток. Это тестовые задачи небольшого масштаба, с которыми может справиться квантовый процессор.

«Примерно год назад вместе с коллегами из Росатома мы начали большую работу по поиску задач в атомной отрасли, в которых могут быть полезны квантовые вычисления. Сегодня видим большой кластер задач, связанный с оптимизацией. Поэтому мы стараемся соотнести потребности для решения индустриальных задач с теми алгоритмами, которые мы разрабатываем и реализуем с помощью квантового железа», — сказал докладчик.

Важная часть работы в рамках дорожной карты связана с оптимизацией, подчеркнул Алексей Фёдоров. В настоящий момент область интереса разработчиков — гибридные системы для решения задач комбинаторной оптимизации. «Для решения задач большого масштаба нужна тесная связка классического и квантового программного обеспечения, чтобы выделять элементы, которые имеет смысл решать на квантовом компьютере, тогда как анализ всего остального набора данных происходит на классическом компьютере. Потом данные сшиваются и получается решение задачи. Мы видим в этом определённый тренд с точки зрения развития квантовых алгоритмов», — заключил учёный.

Круглый стол состоялся в рамках десятого форума «Микроэлектроника 2024», который проходит в эти дни на федеральной территории «Сириус». Юбилейное мероприятие проводится в преддверии нового профессионального праздника — Дня работника электронной промышленности, с инициативой установления которого к Правительству РФ обратился президент РАН академик Геннадий Красников.