В мировой гонке квантовых вычислений Россия ставит первые рекорды
Квантовый компьютер, признают его разработчики, не заменит классический. У каждого - свои задачи и перспективы развития. А рекорд, поставленный в России объединенной командой Квантового проекта, подтверждает: мы на верном пути - за четыре года из группы догонявших переместились в тройку лидеров.
Обеспечить технологический суверенитет России в области квантовых технологий за счет собственных изобретений - так, предельно жестко, определена цель проекта по квантовым вычислениям и квантовым сенсорам на период до 2030 года. В июле 2025 года на тот же срок правительственная комиссия по цифровому развитию утвердила и соответствующую дорожную карту - "Квантовые вычисления".
Задача в высшей степени непростая, если учесть, что еще 4-5 лет назад Россия была вне мировой квантовой гонки, где лидировали тогда и продолжают лидировать сейчас США и Китай. В нашей стране первые дорожные карты по квантовым направлениям были сформированы в 2020 году и за четыре года помогли существенно сократить отрыв. Более того, по соотношению "вложения - отдача" мы смогли опередить развитые европейские страны. В том числе Германию, где объем финансирования соответствующих программ в десять раз больше, чем было выделено за тот же период в России.
По итогам 2024 года немецкие специалисты представили один 10-кубитный квантовый вычислитель. А российскими научными группами, которые удалось собрать, объединить, нацелить и простимулировать в рамках общенационального Квантового проекта, созданы прототипы четырех квантовых вычислителей: 50-кубитный на ионах (расположен в научной лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева РАН), 50-кубитный на атомах и 35-кубитный на фотонах (оба - в научной лаборатории МГУ им. М.В. Ломоносова) и 16-кубитный на сверхпроводниках (расположен в научной лаборатории Национального исследовательского технологического университета МИСИС).
Сегодня Россия входит в число первых шести стран, создавших действующие квантовые процессоры на 50 и более кубитов, и в число первых трех стран (вместе с США и Китаем) с действующими квантовыми процессорами на четырех основных платформах. Об этих и других промежуточных результатах рассказала на встрече с журналистами директор по квантовым технологиям госкорпорации "Росатом", кандидат физико-математических наук Екатерина Солнцева.
Диалог и последующее знакомство с разработчиками квантового компьютера на ионах происходили в Москве, в главном здании Физического института имени П.Н. Лебедева, где на своих учеников и последователей взирают требовательно с портретов выдающиеся советские и российские ученые, в том числе семь лауреатов Нобелевской премии. В тот же день в тех же стенах было сделано и другое важное заявление. По словам директора ФИАН академика Николая Колачевского, в российском Квантовом проекте, который стартовал сравнительно недавно, зафиксирован мировой рекорд в квантовых вычислениях на ионах иттербия-171.
Что особенно важно - успех достигнут объединенными усилиями научных групп Физического института РАН и Российского квантового центра. Совместная научная статья об этой работе и полученных результатах опубликована в одном из самых престижных мировых журналов по физике Physical Review Letters.
Что именно произошло? Российские физики реализовали крупнейший в мире квантовый алгоритм на кудитах - так называемый "обобщенный гейт Тоффоли", то есть многокубитную логическую операцию на десяти ионах иттербия-171. На сегодняшний день это самый большой подобный гейт, зафиксированный в мировой научной литературе.
Что это дает? Позволит существенно повысить точность квантовых вычислений для решения практических задач, включая задачи оптимизации, логистики, моделирования молекул.
- Приоритетом дорожной карты до 2030 года является достижение практической применимости квантовых вычислений, - напомнил академик Колачевский. - Для этого необходимо совершенствование 50-кубитного квантового компьютера на ионах иттербия. Научные группы нашего института концентрируют свои усилия на увеличении его мощности и достижении качества операций, которое позволит реализовывать сложные квантовые алгоритмы для практических расчетов. Показанный учеными мировой рекорд является важным результатом в данном направлении.
Добавим, в ходе эксперимента доказано, что использование кудитов позволяет реализовать многокубитные операции. Прежде на основе ранее известных подходов это было невозможно. И другой столь же важный момент: предложенный российскими учеными метод может быть применен не только для квантовых компьютеров на ионах, но также для вычислителей на других платформах. В нашей стране, как уже сказано, ведутся работы одновременно на четырех (ионы в вакуумных ловушках, сверхпроводники, нейтральные атомы, фотоны), в США - уже на пяти.
Другие важные сведения, публично озвученные в ФИАН, касались финансирования Квантового проекта, его научно-технического сопровождения и кадрового обеспечения. За период 2020-2024 годов на мероприятия дорожной карты "Квантовые вычисления" выделено из бюджета и привлечено из внебюджетных источников 23,8 млрд рублей, в том числе 11,2 млрд - средства "Росатома", который выполняет здесь роль интегратора и несет за эту прямую ответственность перед правительством России. В рамках такого рода полномочий удалось объединить для согласованной совместной работы более 600 высококвалифицированных ученых, инженеров и специалистов со всей страны. В реализации программы участвуют научные коллективы из 16 ведущих российских вузов и научных центров.
Российский Квантовый проект, конечно, нельзя назвать прямым современным аналогом Атомного проекта СССР, но некоторые его элементы явно просматриваются, что в нынешних обстоятельствах неудивительно и даже оправданно. Приведу только один пример, связанный с подготовкой специалистов.
В числе главных приоритетов дорожной карты "Квантовые вычисления" - кадровое обеспечение. Планируется, что к 2030 году число тех, кто закончит бакалавриат, специалитет или получит базовое высшее образование в области квантовых технологий, достигнет 8300 человек. Прибавьте к этому специалистов, окончивших магистратуру, и специализированное высшее образование в области квантовых технологий - это еще 2600. А на выходе из аспирантур в области квантовых технологий - 800 подающих надежды ученых, многие уже со степенью кандидата наук.
За научно-техническую экспертизу дорожной карты "Квантовые вычисления" на стадии реализации отвечает и будет отвечать Российская академия наук, а именно - члены профильного Научного совета РАН "Квантовые технологии" (вместе с группой экспертов, которую координирует Техническая академия "Росатома").
Илья Семериков, научный сотрудник ФИАН, руководитель группы "Масштабируемые ионные квантовые вычисления" РКЦ, кандидат физико-математических наук:
- Хорошо, что удалось наладить контакты и взаимодействие между разными научными группами, и хорошо, что в разных форматах. К сожалению, здесь мы ограничены даже не столько финансовыми ресурсами, сколько наличием квалифицированных кадров. Ведь нам нужны люди с очень высокой квалификацией. Да, у нас замечательное образование - МГУ, Физтех, МИФИ, Бауманка... Я со студентами из разных стран общаюсь. Наши одни из лучших, если не лучшие. А дальше нужны лаборатории - как у нас в ФИАН, как у Кирилла Лахманского... Но лаборатории нарастают медленно. За год, если по-хорошему, такая лаборатория может "переварить" максимум 10-15 процентов от своего численного состава в виде студентов-новобранцев. Больше просто нельзя. И отдачи не будет, и перестанет работать то, что до этого работало. Тут все прозаично: первые три года ты вкладываешься в студента. Он времени потребляет больше, чем дает результат. И это нормально, никому не в укор. Плюс - только на третий, на четвертый год. Это медленно растущий организм, к сожалению...
А что касается общей координации в Квантовом проекте, она, безусловно, нужна. И страна у нас большая, и участники самые разные. Важно, что есть и частные компании, которые обладают большей гибкостью, и государственные - большие, способные взять на себя интегрирующие функции. За ними, конечно, и кадровая подпитка. В большом национальном проекте важно каждому участнику правильно найти свое место.
Сможет ли квантовый компьютер заменить обычный? Нет. У него особые задачи
Как показывает мировой опыт внедрения квантовых технологий (только на основе открытых источников), они наиболее востребованы сейчас в трех направлениях.
Предсказательное моделирование новых лекарств - за счет новых принципов обучения нейронных сетей можно генерировать новые химические соединения с потенциальными лекарственными свойствами более эффективно. В этом направлении уже работают гиганты фарминдустрии (Moderna, Johnson & Johnson, AstraZeneca и другие) - разрабатывают собственные платформы по предсказанию лекарств. А в Канаде, в Университете Торонто, разработана квантовая генеративная модель для поиска возможных препаратов-ингибиторов онкогена K-Ras. Расчет позволил определить 15 перспективных молекул, две из которых уже синтезированы и по своей эффективности превзошли существующие препараты.
Есть уже первый опыт и в России: в РКЦ создана квантовая модель, обученная на базе биологически активных соединений, и применена для предсказания более 4 тысяч новых потенциально синтезируемых лекарственных веществ.
Второе по значимости направление - создание программного обеспечения для симуляции физических процессов в решении инженерных задач гидро-, аэро- и термодинамики. Здесь квантовый компьютер эффективно решает системы линейных и нелинейных дифференциальных уравнений. Компании Boeing, Airbus, Rolls-Royce, BMW открыто заявляют об использовании квантовых алгоритмов для решения уравнений при расчете аэродинамических свойств летательных аппаратов и автомобилей.
На третьей позиции, что может показаться неожиданным, - запросы на квантовые вычисления от инвесторов и финансистов с целью оптимизации инвестиционного портфеля. Как утверждают, квантовые алгоритмы можно использовать для анализа больших наборов данных и определения оптимальных инвестиционных стратегий с большей точностью и скоростью.
В частности, испанская финансовая группа CaixaBank сообщает о сокращении на 90 процентов времени для хеджирования и оптимизации инвестиционного портфеля при использовании квантового облака D-Wave. А предложенное решение повысило на 10 процентов внутреннюю норму доходности в выбранном портфеле облигаций.
Только тремя упомянутыми направлениями сферы применения квантовых технологий не ограничиваются. Их уже "призывают на службу" для обнаружения мошеннических и нелегальных операций в финансах, для маршрутизации перевозок и составления расписаний, для моделирования новых материалов, ускорения нейросетей и для других практических задач.
