«Росатом» показал самый мощный квантовый компьютер в России

Нобелевскую премию по физике в этом году присудили за открытия в квантовой механике. Они были сделаны в прошлом столетии, а в новом на основе этих достижений уже создаются квантовые компьютеры. Самый мощный в России недавно показали журналистам.

В «Росатоме» этой осенью открыли Квантовый клуб журналистов — ​площадку для неформального взаимодействия представителей СМИ и разработчиков. Первая встреча прошла в Физическом институте им. Лебедева Российской академии наук (ФИАН), где находится 50‑кубитный компьютер на ионах иттербия. Он создан в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям, за которую отвечает «Росатом». О квантах сегодня не пишет только ленивый, но значительная доля публикаций — ​псевдонаучные тексты и эзотерика, отметила Юлия Покровская, заместитель директора по коммуникациям и продвижению квантового проекта компании «Росатом Квантовые технологии». Погружение в тему журналистов и блогеров — ​задача клуба. «Я видел квантовый компьютер!» — ​его девиз.

Мощь ионов

Директор по квантовым технологиям госкорпорации Екатерина Солнцева напомнила, что за квантовые вычисления «Росатом» отвечает с 2020 года, а со следующего будет отвечать еще и за развитие квантовой сенсорики. Россия входит в число семи стран, имеющих квантовые машины с 50 кубитами и больше. И только у США, Китая и России есть работающие квантовые вычислители на всех четырех известных физических платформах: атомах, фотонах, сверхпроводниках и ионах.

50‑кубитный ионный квантовый компьютер, самый мощный в России, этим летом прошел испытания в ФИАНе. Директор института Николай Колачевский рассказал, что использовали задачи, которые в будущем позволят вести реальные квантовые расчеты. В частности, ученые осуществили алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных, рассчитали структуру нескольких молекул и симулировали ряд динамических систем. Также среди задач было распознавание несложных фотографий и разложение чисел на простые множители.

Главный результат — ​квантовый компьютер стабильно работает.

«Разве не чудо, что с помощью физической системы на основе ионов уже можно провести довольно сложные вычисления? Еще лет двадцать назад, когда я был аспирантом, такое трудно было представить. Но нужно понимать, что квантовое направление пока незрелое, фундаментальный научный вклад в него в ближайшие годы потребуется большой», — ​предупредил Николай Колачевский.

Ловушки и лазеры

Квантовый компьютер занимает целую комнату и состоит из нескольких модулей.

«Вот в этой железной коробке вакуумная камера с ионной ловушкой, — ​показал нам научный сотрудник ФИАНа и руководитель научной группы «Масштабируемые ионные квантовые вычисления» Российского квантового центра Илья Семериков. — ​В ловушке ионы иттербия‑171 подвешены в глубоком вакууме. Их нужно охлаждать до порядка 1 милликельвина. Для этого используется система из четырех лазеров и множества зеркал и оптических модуляторов. Благодаря охлаждению мы можем ионы детектировать. Вот эта черная трубка — ​узел детектирования, там внутри высокочувствительная камера. Светящиеся точки на мониторе — ​ионы. Чтобы проводить с ними манипуляции в квантовом состоянии, у нас есть ультрастабильные лазеры».

Один журналист признался, что ожидал увидеть не стол, заставленный приборами, а нечто похожее на люстру на потолке — ​как на фото западных квантовых компьютеров. «Это фото сверхпроводниковых квантовых компьютеров (на сверхпроводящих материалах, например ниобии или алюминии. — ​«СР»), а люстра на самом деле криостат с гелием», — ​объяснил Илья Семериков.

Квантовый компьютер в ФИАНе постоянно совершенствуют, последовательно наращивая мощность. Начинали с двух кубитов. В соседней лаборатории собирают машину следующего поколения.

«Просто множить кубиты бессмысленно, нужно увеличивать качество и достоверность кубитных операций, — ​заметил Илья Заливако, старший научный сотрудник ФИАНа. — ​Точность, с которой мы сейчас работаем, ограничена временем жизни энергетических уровней ионов, используемых для кодирования информации. На новой установке мы пытаемся перейти к микроволновому кодированию».

Вызов для молодых

Совершенствование квантовой техники — ​полдела. Важно научиться ставить ей задачи, то есть писать алгоритмы. «Вызов для мирового научного сообщества — ​найти правильные подходы к решению задач на квантовых компьютерах», — ​сказал Илья Семериков.

Зачем это все? В некоторых случаях результативность квантовых компьютеров недосягаема для компьютеров традиционных. Например, моделирование сложных химических молекул и просчет свойств новых материалов или лекарств из них. Поиск закономерности в больших объемах данных, что нужно в логистике, финансовой и экономической сферах. Обычный компьютер способен решать подобные задачи, но будет делать это очень долго.

Российская квантовая программа объединяет более 600 ученых и инженеров 16 вузов и научных центров. Если судить по ФИАНу, звезды квантовой физики очень молоды. «В квантовой группе в основном ребята 22–35 лет, я среди них себя чувствую динозавром», — ​признался Николай Колачевский.

От молодежи ждут быстрых прорывов: дорожная карта по квантовым вычислениям ставит целью к 2030 году применение квантовых технологий в разных отраслях промышленности — в первую очередь в атомной.

Словарь

Термин «квант» (от лат. quantum — ​«сколько») ввел в 1900 году немецкий физик Макс Планк, чтобы обозначить неделимую порцию энергии. Например, квант света — ​это фотон.