В погоне за кубитами

михаил городецкий

Квантовые компьютеры — фантазия ученых или реально существующие проекты? Каковы шансы России выиграть в гонке квантовых технологий? Журнал Стратегия встретился с научным директором Российского квантового центра Михаилом Городецким, доктором физико-математических наук, профессором МГУ, приглашенным профессором Федеральной политехнической школы Лозанны.

Какие задачи стоят перед Российским квантовым центром?

В Российском квантовом центре (РКЦ) мы развиваем новое направление, которое называют второй квантовой революцией: ищем практические применения для квантовых технологий, сокращая разрыв между наукой и промышленностью. Времени у нас немного, поэтому необходимо создавать учреждения нового типа, которые могли бы совмещать фундаментальные исследования с прикладными и быстро доводить до применения, искать коммерческих и индустриальных партнеров. Сегодня мы должны найти такие ниши, где квантовые технологии могли бы проще войти в жизнь. Выделяют несколько направлений в развитии квантовых технологий. Первое — квантовые вычисления, на основе которых работают квантовые компьютеры. Второе — квантовые коммуникации — они сейчас ближе всего к практическому воплощению. В нашем центре многие исследования затрагивают этот сегмент. В частности, мы занимаемся практической реализацией квантовой криптографии, обеспечивающей безопасную связь. Третье направление — квантовые сенсоры, которые функционируют на квантовых принципах и позволяют достичь наивысших возможностей чувствительности для разных эффектов, в частности для магнитного, гравитационного, электрического полей. Сенсоры компактные, надежные, энергоэффективные. Направление, близкое к квантовому компьютеру, — квантовый симулятор; это аналоговое, нецифровое устройство. Симуляторы помогают смоделировать квантовые задачи, например моделирование различных веществ или твердых тел, которые внутри себя описываются квантовыми законами. Но поскольку и вещества, и тела состоят из огромного количества квантовых частиц, никакие уравнения не могут точно решить или описать задачу. Если мы смоделируем эту ситуацию в квантовом симуляторе, то сможем предсказывать новые свойства, создавать новые лекарства, смотреть, как сворачиваются сложные органические молекулы, искать новые катализаторы, моделировать сверхпроводники. Рост температуры сверхпроводников остается пока актуальной проблемой, сегодня им требуется существенное охлаждение. Если бы сверхпроводники смогли работать при комнатной температуре, это стало бы большим прорывом, можно было бы передавать электроэнергию без потери.

Мнения ученых насчет того, создан квантовый компьютер или нет, разделились. Что вы думаете по этому поводу?

Квантовые компьютеры есть, но они переживают начальный уровень — детство, только учатся разговаривать. Существует несколько проектов и подходов. Разные фирмы, научные группы пытаются реализовать эту задачу по-своему. Например, в Америке технологические гиганты — Intel, IBM, Google, Microsoft — вкладывают сотни миллионов долларов в разработку квантового компьютера. Но каждая компания идет своим путем, нет единого направления. Сегодня, наверное, лидирует проект квантовых компьютеров, основанных на сверхпроводящих кубитах. Есть проекты на базе фотоники, атомных и ионных ловушек. Но неясно, какой подход победит. В РКЦ напрямую квантовыми компьютерами занимается научная группа Алексея Устинова, которая базируется в НИТУ «МИСиС» с лабораторией в Черноголовке. Они разрабатывают квантовые кубиты на основе сверхпроводников, как и группа Джона Мартинеса в Google. Сейчас активно развивается машинное обучение, когда компьютер на основе накопления больших данных учится находить оптимальное решение. Мы пытаемся заглянуть вперед и начинаем проект квантового машинного обучения. Даже симуляция квантовых компьютеров на обычных может найти новые подходы к машинному обучению, не говоря уже о самом квантовом компьютере. Параллельно решается огромное количество задач. Кроме того, классическое машинное обучение хорошо ложится на структуру квантового компьютера. Машинное обучение основано на нейронных сетях аналогично человеческому мозгу, что гораздо ближе к квантовому компьютеру, нежели обычному.

Можно ли сказать, что человечество стоит на пороге новой технологической революции? Как изменит жизнь людей квантовый компьютер? Какие сферы затронет?

Да, мы стоим на пороге второй квантовой революции. К первой относят появление транзистора и вообще полупроводниковых устройств, лазеров, МРТ, поскольку они работают на квантовых принципах: снаружи мы не видим их свойств. Новая квантовая революция связана с тем, что ученые начинают работать с отдельными атомами, электронами, ионами и даже фотонами. Атом можно облучить одним фотоном для взаимодействия. Это открывает новые возможности — квантовые свойства объекта «встают в полный рост», они уже не скрыты внутри большой системы. И мы можем их просто применять. Например, квантовое туннелирование или суперпозицию, когда монетка находится одновременно в двух состояниях — орла и решки. Мы способны использовать эти свойства для создания новых устройств. Уже есть линии, защищенные с помощью квантовой криптографии. На основе квантовой теории существенно улучшены оптические часы, без которых не было бы системы глобального позиционирования, точного времени. Теперь нужно двигаться в сторону практического применения в промышленности. Пока существуют лишь отдельные проекты на стыке науки и технологий. В наше время заметно ускоряются процессы внедрения — от лаборатории к промышленности. Крупные компании и государство понимают, что нужно вкладываться в эти процессы. В 2016 году 3 000 ученых подписали так называемый Квантовый манифест, в котором говорится, что мир на пороге этой революции. На документ откликнулся Европейский союз, выделив 1 млрд евро. Компании Microsoft, Intel, IBM, Google, Alibaba, Amazon инвестируют порядка сотни миллионов долларов каждая в исследования и разработки. Китай выделил на развитие квантовых технологий около 5 млрд. В ответ американское правительство решило инвестировать в эту сферу 10 млрд долларов.

Каковы шансы России выиграть гонку квантовых технологий?

К сожалению, слово «выиграть» не подходит. Стоит вопрос, как бы нам сильно не отстать. В отличие от цифровых, квантовые компьютеры нельзя будет купить. Разработчики получат множество преимуществ. Например, контроль над Интернетом вследствие падения современных систем шифрования. Они будут владеть такими технологиями, которых конкурентам просто не достать. В самом начале разработки классических компьютеров была похожая ситуация. Их нельзя было купить, машины занимали целые шкафы и даже комнаты. В Советском Союзе тоже были свои технологии. Сейчас же непонятно, как России не отстать без крупного финансирования. К счастью, появляются научные технологические центры по развитию, выделяются средства, ищутся группы, но не в тех масштабах. Наш центр относительно небольшой, только своими силами мы все задачи не решим. В России есть группа в МГУ, которая получила заметное финансирование, есть группа в ИТМО. Но этого недостаточно. Я думаю, государство должно над этим задуматься. К сожалению, разработки квантовых компьютеров очень дорогие: нужны центры компетенций, чистые комнаты, литография, нанотехнологии. Пока у нас это очень плохо развито. Проблема не только в финансировании конкретных разработок квантового компьютера, но и в отсутствии технологических цепочек, которые должны этому предшествовать. С кадрами также не очень хорошо, но это решаемо. В конце концов, можно поступать как китайцы: привлекать российских ученых и молодых аспирантов, работающих на Западе, или отправлять людей обучаться в центры нанотехнологий для приобретения опыта. При хорошем финансировании можно быстро нарастить компетенции.

В США разработали самый мощный в мире суперкомпьютер Summit. В пике он способен проводить 200 квадриллионов вычислений в секунду. Насколько он конкурентоспособен в сравнении с квантовым? Стоит ли двигаться в этом направлении?

Разработка простых суперкомпьютеров идет и в России. Несколько лет назад запустили суперкомпьютер «Ломоносов», который вошел в топ-100 мировых. Но этот путь экстенсивный. А квантовый компьютер обладает экспоненциальным ростом: каждый кубит увеличивает количество состояний, а значит параллелизм, в два раза. А это совсем другие пропорции. Компания IBM заявляла, что в ближайшие пять лет квантовые компьютеры смогут превзойти любой самый современный суперкомпьютер. Кто-то в этом сомневается, некоторые ученые говорят, что создание квантового компьютера вообще невозможно. Но существуют виды задач, которые уже решаются быстрее с помощью квантовых систем. Например, квантовые компьютеры хороши при оптимизации: когда есть огромное количество разных вариантов, а мы ищем лучший. Логистические проблемы стоят перед многими коммерческими организациями, всем требуется развитие транспортных потоков. Volkswagen, например, на основе квантового компьютера D-Wave оптимизировала транспортный поток такси в Пекине, то есть решила конкретную задачу. При этом, по их словам, быстрее, чем на классическом устройстве.

В квантовые разработки в России вкладывает только государство? Или частные компании также инвестируют?

Частные компании тоже вкладывают. Например, «Газпромбанк» выделил РКЦ средства для поддержки квантовых вычислений. Выясняется, что в квантовых компьютерах очень заинтересованы и нефтегазовые компании. С помощью таких устройств они смогут оптимизировать транспортные и бизнес-процессы. Заинтересована и нефтехимия. Их производство стоит безумных денег, существенные средства тратятся на электроэнергию при производстве биохимических удобрений. При таких показателях модернизация с помощью квантового моделирования — перспективное решение. Но в любом случае нужна государственная программа. По такому пути пошла Европа, поскольку у них нет компаний уровня американских корпораций.

Автор: Дарья Кичигина

Категория: Интервью

Новости по теме:

Ядерная медицина: Quo vadis?

О российском и зарубежном опыте использования передовых разработок в ядерной медицине, а также других атомных технологиях рассказал Журналу Стратегия генеральный директор ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБА России Александр Самойлов.

Монетизация красоты

Предпринимательство в сфере услуг — занятие крайне сложное: много салонов красоты закрываются в кризис, не всегда выживают в конкурентной борьбе. Как в течение 18 лет оставаться лидером, пережить три экономических кризиса и не потерять позиции, как воспитать единомышленников и привить доверие к бренду, Журналу Стратегия рассказал основатель и президент салонов красоты «МОНЕ», «Точка красоты» Александр Глушков.

Янтарный резерв

Согласно стратегии развития янтарной отрасли к 2025 году добыча сырья увеличится до 500 тонн в год, занятость в сфере повысится, инвестирование вырастет. Ключевая роль в достижении этих целей отводится Калининградской области, где сосредоточены около 90% мировых запасов «солнечного камня», а именно Калининградскому янтарному комбинату. Как эффективно использовать уникальные возможности края, Журналу Стратегия объяснил генеральный директор АО «Калининградский янтарный комбинат» Михаил Зацепин.