Новости

13 сентября, 2021 11:20

От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы

Источник: Поиск
Его еще доводят до ума и «настраивают», однако поистине фантастические возможности квантового компьютера уже известны. Он поможет, например, создавать наисложнейшие материалы с заданными свойствами, проектировать молекулы с более чем 50 межатомными связями… И делать это за считаные минуты, тогда как действующим компьютерам потребовались бы годы. В нашей стране это необыкновенное устройство на основе сверхпроводников разрабатывает консорциум из трех московских университетов (НИТУ «МИСиС», МФТИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана), а также ВНИИА Росатома, Российского квантового центра (РКЦ) и Института физики твердого тела РАН. Рассказывает научный руководитель проекта доктор физико-математических наук Алексей Устинов, профессор сразу трех вузов: НИТУ «МИСиС», МФТИ и Технологического университета Карлсруэ (Германия).
Алексей Валентинович Устинов. Источник: пресс-служба «МИСиС»

– Как случилось, что вы выбрали это направление?

– Довольно долго я занимался физикой сверхпроводников – создавал устройства, применяющие так называемые джозефсоновские переходы. Еще в начале 80-х годов прошлого века было высказано предположение, что они обладают макроскопическими квантовыми свойствами. Но чтобы доказать это, потребовалось много времени и масса экспериментов. В эту чертовщину я и погрузился.

– И что представляет собой «чертовщина»?

– Суть в том, что ученый мир однажды согласился описывать микрообъекты – отдельные атомы, электроны, фотоны – по законам квантовой механики. Но что она применима и к большим макроскопическим системам, состоящим из многих миллиардов частиц, долгое время вызывало непримиримые споры. Сразу возникли вопросы, как управлять этим движением большого числа частиц, удастся ли установить, как долго сохраняются состояния больших квантовых объектов и как их контролировать. Предположение, что время когерентности (сохранение исходных квантовых состояний) крупных объектов может быть достаточно большим и измеряемым, казалось ересью с точки зрения традиционной квантовой физики микрочастиц. Однако, разбираясь с этим явлением, удалось увеличить время когерентности макроскопических объектов на основе сверхпроводников примерно в миллион раз и довести до тысячных долей секунды. Так появилась возможность производить квантовые расчеты, а законы квантовой механики стали универсальным средством для описания и изучения самых разных систем и природных явлений.

– Какие задачи смогут решать квантовые машины?

– Производить, например, расчеты межатомных связей при создании сложных молекул и материалов, а также предсказывать их свойства. На обычном компьютере сделать точный расчет больших молекул и сложных материалов практически невозможно, а квантовый компьютер справится с этим практически мгновенно. Как по рецепту врача составляют лекарства, так возникает перспектива получать материалы, которых в природе не существует. Или такая техническая задача. На трубопроводе выходит из строя насос – и нужно срочно и как можно быстрее проанализировать массу возможных альтернативных маршрутов транспортировки углеводородов и восстановить работу с минимальными потерями. Квантовый компьютер способен решать подобные задачи оптимизации, рассматривая множество вариантов одновременно. Однако замечу: пока квантовые компьютеры обладают лишь ограниченной точностью, поэтому сравнивать их потенциал с действующими компьютерами еще рано.

– Как развивается это направление в мире?

– Бум в области квантовой физики начался лет семь назад, когда такие гиганты, как Google, IBM, и многие другие начали вкладывать большие средства в создание квантовых компьютеров и добились определенного прогресса. Считается, что сделанные ими машины успешно работают, однако на самом деле они не продвинулись дальше тестов для их проверки и отладки. Сложность в том, что расчеты на устройствах из 50 и более кубитов невозможно проверить, даже у суперкомпьютеров нет таких мощностей, поэтому потребовалось бы очень много лет. (Бит – традиционная единица представления информации, имеющая два значения: 0 и 1, выключено и включено. Квантовый бит, или сокращенно кубит, располагается между 0 и 1, то есть на любой «широте» и «долготе» сферы с полюсами 0 и 1, а потому представляет собой множество значений одновременно.)

– В каком состоянии находятся исследования в этой области в РФ?

– Созданием квантовых машин наша страна занялась лишь лет девять назад. И первыми это сделала Лаборатория сверхпроводящих материалов НИТУ «МИСиС». В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). Тем самым опробовали нашу измерительную систему – а она сама по себе штука сложная. В 2015-м при содействии МФТИ и Российского квантового центра изготовили первые отечественные кубиты. Их испытания необыкновенно трудные: они протекают при низких температурах – в доли градуса выше абсолютного нуля. Для этого потребовалось очень сложное и дорогостоящее оборудование, в частности криогенная техника, обеспечивающая работу сверхпроводниковых квантовых битов. Мы закупили ее за границей благодаря мегагранту Правительства РФ. В 2016 году по инициативе Росатома и Фонда перспективных исследований был дан старт проекту, цель которого – построить первый в РФ сверхпроводниковый квантовый процессор. Задача очень серьезная, потребовавшая привлечения сил многих специалистов. Проектирование и измерения взял на себя МИСиС, а технологию изготовления сверхпроводниковых микросхем – Бауманка. Процессор заработал и показал отличный результат. Так к 2019 году мы практически вышли на мировой уровень. Это подтверждают публикации наших статей в ведущих зарубежных журналах группы Nature и Physical Review. В России сейчас принята «дорожная карта» развития и продвижения квантовых компьютеров. Ее цель – к 2024 году получить квантовые процессоры из 30 и более кубитов. Но чтобы продолжать наращивать мощность, необходимы очень существенные инвестиции, сравнимые с зарубежными.

– Как получилось, что труднейшую амбициозную задачу решают в основном три московских университета?

– Оказалось, что для решения этой задачи у вузов есть и знания, и кадры. Изначально мы получили поддержку правительства (в виде мегагранта), затем гранты нескольких фондов. У меня, скажем, был грант РНФ, имевший продолжение. И сейчас фонд согласился финансировать создание в МИСиС лаборатории мирового уровня. Большую поддержку много лет нам оказывает РКЦ. Проект, осуществляемый вместе с МФТИ, предусматривает разработку новых направлений, связанных с квантовыми устройствами на сверхпроводниках.

– Как будет работать квантовый компьютер в вашем исполнении?

– Проблема не в том, чтобы сделать сверхпроводниковые микросхемы в несколько десятков кубитов. Это не составляет особого труда. Главное, чтобы благодаря надежности конструкции и высокому качеству кубитов машина безошибочно работала как можно дольше. Мы используем так называемые квантовые симуляторы и с их помощью опробуем возможности построения больших квантовых систем. Как из конструктора «Лего», собираем из кубитов сложные квантовые модели. Пока квантовый компьютер на сверхпроводниках может стабильно работать в течение очень короткого времени – меньше тысячной доли секунды. После этого расчет повторяется много тысяч раз и результаты усредняются. Одна из главных наших проблем – научиться эффективно управлять этими машинами. Добиваемся этого благодаря очень коротким импульсам микроволн. Их, в свою очередь, необходимо генерировать с помощью точного и дорогостоящего оборудования.

– Вы разрабатываете сложнейшую технику, обладающую необыкновенными возможностями, а будет кому ее обслуживать?

– Да, это новое направление науки и техники – мы называем его квантовой инженерией. Специалисты, в ней занятые, должны обладать значительными знаниями в физике, электронике, программировании… В недалеком будущем эти устройства дадут огромную экономическую выгоду, поэтому большинство развитых стран, Китай например, вкладывают колоссальные средства в развитие этой области.


22 сентября, 2021
Метод российских учёных повысит качество изделий для летательных аппаратов
Сейчас в авиакосмической отрасли применяются угле-металлические композиты, однако химические реакц...
22 сентября, 2021
В СПбГУ систематизировали все случаи удаления генетического материала в клетках живых организмов
Биологи Санкт-Петербургского государственного университета впервые систематизировали все известные с...