• Yulia Mi

Квантовые технологии в России: есть ли они вообще?

Пост обновлен 4 нояб. 2019 г.

О том, как обстоят дела с квантовыми технологиями в России, насколько все плохо или, наоборот, хорошо.


Авторы фото: Russian Quantum Center

Квантовые технологии обещают нам устройства, которые будут работать гораздо быстрее всех современных устройств. В отличие от обычного компьютера, квантовый компьютер оперирует так называемыми кубитами – квантовыми разрядами, которые, как и биты, принимают два собственных значения (0 и 1), но при этом еще могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть с некоторой долей вероятности принимать значения и 0, и 1. А это значит, что два кубита равносильны четырем комбинациям в битах (00, 01, 10, 11), три кубита равносильны 8-ми комбинациям в битах (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111) и т.д.. То есть, оперируя кубитами, можно решать любые задачи, в которых требуется перебор однотипных значений, практически моментально, поскольку одно из возможных состояний системы уже будет являться решением задачи. Поэтому создание квантового компьютера позволит сделать огромный скачок в будущее, который в корне поменяет то, как сейчас живет и развивается мир.


По всему миру десятки научных групп и лабораторий занимаются сейчас экспериментальными исследованиями кубитов и возможностью создания квантовой системы. Многие говорят о так называемой «квантовой гонке» за лидерство в разработке и создании первого квантового компьютера, способного превзойти современные суперкомпьютеры, чтобы можно было говорить о «квантовом превосходстве».


Как же обстоят дела с квантовыми технологиями в России?


Еще в 2011 году по инициативе двух выпускников МФТИ в Сколково был создан Российский квантовый центр (РКЦ), основной миссией которого является проведение фундаментальных и прикладных исследований в области квантовой физики, создание новых технологий и устройств, основанных на использовании квантовых эффектов. Уже в 2013 году ученые из РКЦ и лаборатории сверхпроводящих материалов МИСиС впервые провели измерение кубита. А в 2015 году эта же группа ученых совместно с коллегами из МФТИ и ИФТТ РАН изготовила и испытала первый в России сверхпроводящий кубит [1]. Благодаря новейшему литографическому оборудованию, установленному в МФТИ, ученым удалось создать кубит из четырех джозефсоновских контактов из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров. Созданный специалистами кубит был затем перевезен в лабораторию РКЦ, где эта работа была завершена. Проведенные после измерения подтвердили, что свойства созданного устройства соответствуют заданным параметрам, а значит, получен инструмент для проведения дальнейших исследований в области квантовых технологий.


Разработкой квантового компьютера занялись также ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). В октябре 2016 года в журнале Science специалисты опубликовали результаты исследований, проведенных совместно с физиками из США и Германии, в ходе которых удалось создать кубит на основе алмазов. Авторы работы продемонстрировали, что алмазы с включенными в них атомами кремния, могут быть хорошей альтернативой сверхпроводящим кубитам, поскольку позволяют передавать данные, используя оптические частоты. Сейчас ученые занимаются дальнейшими исследованиями в этой области [2].


В июле 2017 года группа российских и американских ученых под руководством Михаила Лукина – профессора Гарвардского университета и сооснователя РКЦ - создали первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51-го кубита [3]. Для проверки работоспособности компьютера, ученые провели на нем моделирование сложной системы из множества частиц и сравнили результаты с аналогичными грубыми расчетами на современном суперкомпьютере. Результаты в целом совпали, что подтвердило работоспособность 51-кубитной системы на практике.


Вычислительные элементы компьютера, созданного учеными под руководством Лукина, построены на основе охлаждённых атомов рубидия, которые удерживаются оптическими ловушками – специальными образом организованными лазерными лучами. Для перевода атомов рубидия в возбужденное ридберговское состояние необходима система лазеров. Такая система называется полностью программируемым квантовым компьютером, поскольку позволяет напрямую адресоваться к каждому из 51-го кубиту. Квантовый компьютер, созданный учеными во главе с Михаилом Лукиным, уже сейчас способен решать некоторые задачи, которые невозможно смоделировать современными мощными компьютерами, однако говорить о квантовом превосходстве пока еще рано.


В феврале этого года Внешэкономбанк, Фонд перспективных исследований, "ВЭБ-инновации", МГУ и АНО "Цифровая экономика" в рамках Российского инвестиционного форума "Сочи-2018” подписали соглашение о создании в России 50-кубитного оптического квантового симулятора на основе фотонных чипов и нейтральных атомов [4]. Такой компьютер должен позволить достичь квантовое превосходство, то есть демонстрировать вычислительную мощность, которую невозможно достичь при использовании самых современных компьютеров. Это первый крупный консорциум для создания многокубитного квантового компьютера в России, призванный объединить ресурсы лучших российских ученых, бизнесменов и правительственных организаций.


В апреле этого года ученые из МИСиС и РКЦ в сотрудничестве с исследователями МФТИ и Сколтеха, а также специаластами из Великобритании и Германии создали принципиально новый кубит, основанный не на джозефсоновском переходе, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке (толщиной около 4 нм) [5]. Работа была опубликована в журнале Nature Physics. Свойства нового кубита пока еще до конца не изучены, однако уже известно, что его функциональность не хуже, чем у кубитов основанных на джозефсоновских переходах. Важно также то, что такие кубиты более просты в изготовлении, так как проволочки не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника.

Месяц назад в июле этого года Газпромбанк инвестировал 1,5 млн. долларов в проект РКЦ по разработке квантового машинного обучения, который позволит нейронной сети обучаться во много раз быстрее, чем это происходит на классических компьютерах [6]. Активную позицию также занимает Сбербанк, который ведет работу по созданию ассоциации по квантовым технологиям.


Исследования в области квантовых технологий в России продолжаются. РКЦ привлекает новых инвесторов для реализации своих проектов. Конечно, скептики могут утверждать, что все исследования в России проводятся совместно с зарубежными (американскими или европейскими) учеными, а 51-кубитовый компьютер вообще был создан в Гарварде, а не у нас, и Россия вряд ли станет победителем квантовой гонки. Однако, нельзя отрицать тот факт, что в России есть специалисты, которые работают в области квантовых технологий в наших российских институтах и университетах, а значит, неважно, кто выиграет квантовую гонку, наши ученые будут готовы использовать и внедрять новые технологии в России, и мы не останемся не у дел.


Статья подготовлена по материалам из открытых источников:

[1] http://misis.ru/university/news/science/2015-05/2687/

[2] https://arxiv.org/pdf/1612.02947.pdf

[3] https://www.physics.harvard.edu/node/805

[4] https://fpi.gov.ru/press/news/fpi_bneshjekonombank_i_bjeb_innovatsii_voshli_v_perviy_v_rossii_kvantoviy_konsortsium

[5] http://misis.ru/university/news/science/2018-04/5318/

[6] https://www.rbc.ru/rbcfreenews/5b439d719a7947b1e65330a8

#кубиты #кубит #квантовыетехнологии #РКЦ

Подписаться на новости SCDAILY