Российский квантовый суперкомпьютер – один из самых мощных в мире⁠⁠

Недавно в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук состоялась презентация нового отечественного 50-кубитного ионного квантового суперкомпьютера. Таким образом было публично заявлено, что наша Российская Федерация стала одной из шести стран мира (наряду с США, Китаем, Канадой, Японией и Францией), обладающими квантовыми вычислителями на 50 и более кубитов.
Как сказал по этому поводу академик РАО, выпускник Физтеха, ректор Российского нового университета Владимир Алексеевич Зернов, на нашей планете сейчас живёт более 8 миллиардов человек, но лишь ничтожная часть из них действительно понимает, как на самом деле работает квантовый компьютер. Причём,большая часть этих людей родились и получили образование в нашей стране.

Так что же из себя представляет это изделие? Постараемся хотя бы в общих чертах ответить на этот вопрос.

Напомним, что любая информациявобычном,полупроводниковом компьютере, независимо от его сложности, представлена в виде последовательности битов – минимальных единиц измерения, которые могут принимать значения 0 или 1. Сам термин бит (bit) происходит от «binarydigit», то есть «двоичная цифра» Восемь битов образуют один байт. Количество возможных комбинаций 0 и 1 в одном байте равно 256.

Работа же квантового компьютера основана на кубитах (q-бит – от «quantumbit», то есть «квантовый бит»). Их особенность в том, что они, помимо бинарного состояния 0 или 1, могут находиться в третьем, которое представляет собой нечто, одновременно и то, и другое (по принципу «кота Шрёдингера»). Сочетание кубитов позволяет на порядки увеличить количество всевозможных сочетаний, а главное – значительно повысить производительность такого компьютера.

Но сложность заключается в том, что «носителями кубитов» в квантовых компьютерах являются не полупроводниковые транзисторы, а атомы, ионы или фотоны. Конкретно созданный в ФИАН суперкомпьютериспользует ионы иттербия171, находящиеся в глубоком вакууме. Существуют также системы, использующие ионы кальция, бария и пр. По сравнению с другими, ионный компьютер менее быстрый, зато более точный, достоверный.

Как утверждают разработчики, имея всего два кубита с несколькими уровнями энергии, можно совершать целый ряд операций, переводя их с одного уровня на другой и производя таким образом различные вычисления. При этом важно помнить – квантовое состояние этой системы очень хрупкое, и чтобы его поддерживать, необходимо обеспечить особые условия – в первую очередь, глубокий вакуум, температуру, близкую к абсолютному нулю, и полную изоляцию от окружающей среды.

Что интересно, квантовый компьютер тоже может ошибаться, поэтому достоверность операций на нём никогда не равна 100%. В частности, рекорд достоверности на компьютере с использованием ионов кальция составил 99,97%. Иттербиевый квантовый компьютер гарантирует показатель в 99,98% для однокубитных операций и 96,1% для двухкубитных.

Достижение достоверности в 99,999–99,9999% будет означать, что человечество сделало шаг из сегодняшней низкоуровневой эры квантового компьютинга в эру масштабируемых квантовых компьютеров. Но пока это - лишь мечты, хотя и вполне осуществимые.

По заявлению разработчиков суперкомпьютера, всего за несколько лет учёным ФИАН удалось совершить гигантский скачок с двух кубит в 2020 году до 50 кубит в 2025 году. И абсолютно реальная цель – достичь к 2030 году масштабов в несколько сотен кубитс высокой достоверностью операций. Здесь уже кончаются физические возможности классических компьютеров и начинается совершенно иная реальность.

Разумеется, обывателя волнует, прежде всего, вопрос – а где и для чего может использоваться такой суперкомпьютер? Уж не для производства ли криптовалюты, коль скоро сегодня этим занимаются огромное количество людей по всему миру, задействовав ещё большее количество компьютеров и тратя громадное количество энергии?

На это учёные пока дают уклончивый ответ. Да, если всё будет развиваться столь же успешно, как и сейчас, в обозримом будущем квантовые суперкомпьютеры и правда смогут производить крипту в неограниченных объёмах, что, по сути, полностью обрушит её рынок. Но, на самом деле, эти слишком мелкая и низменная цель, потому что такие устройства гораздо более эффективно использовать, например, для криптографических операций, исследований в области фармацевтики (просчитывание вариантов устойчивости молекул пока ещё не существующих лекарств), химии (новые материалы), астрономии и пр. Да, и электричества они и правда будут тратить несоизмеримо меньше, чем обычные компьютеры.

Однако пока всё то - лишь в планах, и до реального, массового использования квантовых суперкомпьютеров ещё далеко. Хотя сделать их коммерчески эффективными – задача вполне реальная.

К сведению:
На сегодняшний день в Российской Федерации создано 15–20 научных групп, работающих по тематике квантовых компьютеров. В каждой из них задействовано от 20 до 50 человек, и каждая группа занимается своей проблематикой. Помимо ФИАН разработки ведут коллективы Российского квантового центра, МГУ, МИСиС, МИФМ, СПбГУ и пр. Их деятельность осуществляется в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой выступает Госкорпорация «Росатом».

Конкретно в ФИАН совместная лаборатория ФИАН и РКЦ, возглавляемая директором института Николаем Николаевичем Колачевским, существует уже около 10 лет. На сегодня здесь сформирован коллектив молодых и очень перспективных учёных, которым по плечу самые смелые проекты и задумки.

Автор - Вадим Иванович Мелешко