Кванту в помощь: как «Росатом» поддержит проекты в сфере квантовых вычислений

В декабре определились финалисты второго цикла отраслевого акселератора «Квантовые вычисления». Сертификаты соответствия приоритетным направлениям дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления» получили три проекта. В этом году предстоит обсудить, какую поддержку окажет победителям «Росатом».

Как все началось

«Основная цель акселератора — ​найти экономически перспективные проекты, которые не подавали заявку на участие в новой дорожной карте развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления» на период 2025–2030 годов, — ​пояснила «СР» гендиректор СП «Квант» Наталья Кулагина. — ​Мы искали проекты, которые могут сформировать продукт и к 2030 году выйти на коммерциализацию, так как одна из наших задач — ​создать рынок квантовых вычислений».

Из 43 заявленных в финал вышли 10 проектов. «Четыре месяца, с сентября по декабрь, мы усиленно работали над идеей. Анализировали, исполнимо ли вообще то, что мы представили. Нас ориентировали на коммерческую сторону: мы создаем не просто хорошую вещь, а продукт, который должны покупать и использовать. Большая ценность акселератора в том, что мы общались со многими коллективами, и им тоже было интересно с нами общаться», — ​прокомментировала заведующая международной лабораторией квантовой оптоэлектроники Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» в Санкт-Петербурге Наталья Крыжановская. Благодаря обратной связи от экспертов ее команда существенно переработала первичную заявку.

«В акселераторах мы всегда идем по пути глубокой проработки рынка, чтобы определить рыночную, научную и техническую применимость представленных командами решений, — ​рассказала заместитель гендиректора по бизнес-сопровождению проектов Отраслевого центра развития инноваций Виктория Романова. — ​Мы провели не один десяток встреч с представителями разных отраслей, выявили потребности в квантовых вычислениях и технологиях для решения производственных и прикладных задач. Получили 68 клиентских договоренностей, одна команда еще в процессе акселерации заключила полноценный договор с партнером».

В декабре в музее «Атом» участники представили итог своей работы. Сертификаты соответствия приоритетным направлениям дорожной карты «Квантовые вычисления» выданы проектам «Микролазеры для систем квантовых вычислений» (исполнитель — ​Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Санкт-Петербург), «Модуль линейного перемещения нанометрового класса» (компания «Системы фотоники») и «Технологии резервуарных вычислений на кубитах» (Балтийский федеральный университет им. Канта).

Микролазеры для систем квантовых вычислений

Для управления кубитами в вычислительных квантовых системах нужны лазеры. Пока они громоздки и размещаются снаружи квантовых процессоров и других активных компонентов вычислительных систем. Если требуются разные частоты излучения, лазеров понадобится много. В итоге схема сильно усложняется. Кроме того, наиболее популярные лазеры импортные, приобретать их затруднительно.

Задачей уменьшить процессоры, расширить их функционал и масштабировать лабораторные экземпляры в полноценные занялись в петербургской Высшей школе экономики. Там для фотонных интегральных схем (ФИС) разрабатывают источники излучения. Они компактные, порядка долей миллиметра, монтируются прямо на чипе и потребляют гораздо меньше энергии, чем внешние лазеры. Устройства, основанные на полупроводниковых наноструктурах, обладают низкими рабочими токами и уровнем шумов, что важно для чувствительных квантовых вычислительных систем. Наконец, благодаря монтажу на чипе микролазеры практически не подвержены механическим повреждениям и не требуют повторной юстировки.

Такие микролазеры выступают источниками возбуждения для запутывания пар фотонов и управления энергетическими состояниями атомов и ионов в ловушках. Объем мирового рынка устройств такого типа в 2024 году, по данным команды привлеченных экспертов, — ​4,5 млрд долларов, российского — ​12 млрд рублей. Есть прогноз, что в 2030 году объем мирового рынка увеличится более чем вдвое — ​до 9,6 млрд долларов. Можно предположить, что сопоставимый рост ждет и Россию.

Ученые получили семь заявок от производителей фотонных интегральных схем и научных групп, которые занимаются фотоникой и радиофотоникой. Команда Натальи Крыжановской планирует в этом году закупить оборудование, изготовить и проверить микролазеры с интересующими заказчиков характеристиками. Задача следующего года — ​интеграция с ФИС, 2027‑го — ​микролазер, интегрированный с волноводом ФИС. Итогом всех работ в 2030 году будет лабораторный образец фотонного чипа с лазером для квантовых вычислений.

Технологии резервуарных вычислений на кубитах

Представил проект научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта Дмитрий Саяпин. Ученые предлагают создать математические модели для квантового машинного обучения и моделирования многокубитных систем с помощью резервуарных вычислений (см. словарь).

Итоговые продукты — ​программные модули, которые будут применяться в квантовых эмуляторах и системах управления квантовым компьютером с обратной связью. Они нужны для коррекции ошибок и оценки качества работы вычислительного алгоритма на облачной платформе. Для пользователей команда создает программные модули для составления алгоритмов квантовых резервуарных вычислений и квантового машинного обучения в резервуарной топологии (квантовых рекуррентных нейронных сетях).

Программными модулями для решения задач машинного обучения и классификации заинтересовались медицинские и фармацевтические компании.

Модуль линейного перемещения нанометрового класса

Компания «Системы фотоники» пришла в акселератор с проектом нанопрецизионного модуля линейного перемещения. Это часть систем доставки лазерного излучения, литографии, контрольно-измерительных машин. В основе модуля — ​система обратной связи на базе оптического интерферометра с нейросетевым алгоритмом уточнения данных.

Для подтверждения спроса команда исследовала рынок и получила предложения более чем на 180 млн рублей. В этом году она планирует запустить пилотные проекты и продолжить сотрудничество с заказчиками.

Что дальше

«Мы планируем использовать результаты совместной интенсивной работы для составления предложений, интересных «Росатому», — ​сообщила Наталья Кулагина. — ​В начале этого года сформируем перечень форм взаимодействия с проектами, которые прошли акселерационные программы первого и второго циклов, и согласуем их со всеми участниками программы. «Росатом» как лидер в области квантовых вычислений будет формировать рыночную экосистему, помогая создавать продукты, которые заинтересуют как отдельные организации, так и профильное сообщество».

СЛОВАРЬ

Резервуарные вычисления — ​концепция обработки информации, в которой меняются только входной и выходной слои: волны, вызываемые входным сигналом, обусловливают выходной сигнал. Слои в резервуаре (в нашем случае «черный ящик», механизм работы которого неважен) не меняются. Применительно к машинному обучению это значит упрощение и ускорение: тренировать нужно не все слои нейросети.

Интерферометр — ​прибор, который, используя явление интерференции, измеряет преломление, длину волны и позволяет контролировать напряжение в деталях, качество поверхностей, однородность оптических материалов и т. п. Широко применяется в науке и промышленности. Некоторые интерферометры измеряют параметры с нанометровой точностью.