Как россия потратит 15 млрд на создание квантового компьютера

2019

«Росатом» разработал дорожную карту развития квантовых вычислений в России

16 декабря 2019 года стало известно о новой дорожной карте, которую разработал «Росатом» в качестве плана развития квантовых вычислений в России. Госкорпорация предлагает концепцию одновременного создания оборудования и программного обеспечения.

По планам «Росатома», на развитие квантовых технологий в России потребуется около 23,7 млрд рублей до 2024 года. Примерно половина этой суммы пойдет на работу над капиталоемкими сверхпроводящими квантовыми компьютерами, а на разработку софтверных решений потребуется около 2 млрд рублей, рассказали «Коммерсанту» в Российском квантовом центре (РКЦ).

Стало известно о новой дорожной карте, которую разработал «Росатом» в качестве плана развития квантовых вычислений в России

Многие компании заинтересованы. Мы планируем параллельно работать над созданием софта для квантового компьютера, чтобы, когда его мощность достигнет достаточного размера, софт к нему был уже готов, — сообщил изданию гендиректор РКЦ Руслан Юнусов.

По его словам, в рамках проекта планируется создание софта под запросы бизнеса. К середине декабря 2019 года ведутся переговоры с 25 компаниями, среди которых — Сбербанк и «Сбербанк-Технологии», Газпромбанк, «Сибур» и «Газпромнефть», рассказал он.

Член экспертного совета по российскому программному обеспечению Илья Массух указывает на то, что заложенные во всем проекте дорожной карты средства меньше расходов крупных зарубежных компаний на квантовые вычисления поодиночке. При этом он поддержал концепцию одновременно развития программных и аппаратных технологий и добавил, что, Россия не отстает в сфере квантовых разработок.

Исполнительный директор Ассоциации предприятий компьютерных и информационных технологий Николай Комлев говорит, что компании пока не готовы использованию квантовых вычислений. Реального спроса еще нет, нужны не уникальные экспериментальные установки, а законченные изделия с понятным прикладным ПО и реальными примерами использования, уверен он.

Разработка квантового компьютера «Росатомом» за 24 млрд рублей

В начале ноября 2019 года стало известно о начале разработки «Росатомом» квантового компьютера. Его создание обойдется в 24 млрд рублей, из которых 13,3 млрд рублей — бюджетные средства, рассказала «Ведомостям» директора по цифровизации госкорпорации Екатерина Солнцева.

По её словам, во внебюджетные средства войдут деньги «Росатома», однако планируется привлекать к участию и другие компании.

«Росатом» объявил о разработке квантового компьютера за 24 млрд рублей

Первые четыре прототипа компьютера в «Росатоме» планируют разработать уже к 2024 году — их размер составит от 50 до 100 кубитов. Пока российским специалистам удавалось создать системы, состоящие лишь из двух кубитов, в то время как американские и европейские ученые уже разработали устройства, построенные на 50–70 кубитах.

Проектный офис возглавил гендиректор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, руководивший разработкой дорожной карты по квантовым технологиям в рамках федеральной программы «Цифровая экономика».

По словам Юнусова, процессоры для квантовых компьютеров будут производить в России, другие комплектующие, например, лазеры или измерительная техника, могут покупаться за границей. Кроме того, к отечественному устройству, которое будет базироваться в России, собираются разработать облачную платформу с удаленным доступом.

По словам генерального директора «Росатома» Алексея Лихачева, собственные квантовые вычислители должны стать залогом технологической конкурентоспособности России, в том числе и в атомной отрасли.

Разработка поможет России попасть в число стран – лидеров квантовой гонки, говорится в сообщении «Росатома». Между правительством России и «Росатомом» есть соглашение о развитии в стране квантовых вычислений.

Квантовые компьютеры способны решать задачи, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам, пишут «Ведомости»: например, моделирование поведения сложных молекул (нужно для разработки новых лекарств и материалов), разветвлённые логистические задачи, работа с большими данными и так далее.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров

Итак, если бит — это одна из двух условных точек (1 или 0), то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0. Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно.

Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное (плавающее) значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции.

Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений (нулей или единиц), то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений. А это намного больший объем информации.

Корпоративная вовлеченность

Интерес и инвестиции в квантовые технологии со стороны крупных компаний и корпораций продолжают расти: в 2020 и 2021 гг. было инвестировано почти в два раза больше инвестиций (2,15 млрд долл.), чем за предыдущие 10 лет (1,16 млрд долл.). При этом от года к году все больше инвестируется в программное обеспечение — 758 млн долл. совокупно за 2020 и 2021 гг. Такие стартапы, как Zapata Computing (привлек совокупно 64 млн долл. на конец 2020 г) и Cambridge Quantum Computing (привлек совокупно 95 млн долл. на конец 2020 г и 270 млн долл. в совместном с Honeywell проекте в 2021 г), привлекают финансирование на разработку алгоритмов квантового компьютера. В сентябре 2021 г. израильская компания Quantum Machines получила 50 млн долл. на создание облачной инфраструктуры и программного обеспечения для квантовых компьютеров.

Среди стартапов, получающих инвестирование по направлению аппаратного обеспечения, следует выделить Rigetti (стартап из Беркли, который привлек в общей сложности более 190 млн долл.) и PsiQuantum, которая в прошлом году заявившая, что планирует построить полномасштабный квантовый компьютер к 2025 г. (стартап привлек 450 млн долл. во главе с BlackRock, достигнув оценки в 3,15 млрд долл.). В отличие от своих конкурентов, которым, возможно, потребуется развивать свои мощности по производству микросхем, PsiQuantum производит ранние версии квантовых микросхем с помощью Global Foundries, одного из крупнейших в мире производителей полупроводников.

IonQ также заявила о создании первого практико-ориентированного квантового компьютера. SoftBank через свой инвестиционный фонд Vision Fund 2 в начале июня 2021 приобрел «крупную», но не контрольную долю в IonQ. Японский инвестор заявил, что надеется в конечном итоге использовать возможности квантовых вычислений IonQ для ускорения вычислений для некоторых компаний из своего портфеля.

Рис. 6. Инвестиции в стартапы и технологические компании в сфере квантовых вычислений.

Согласно самым позитивным прогнозам, в течение трех-пяти лет ожидается начало использования квантовых технологий в промышленных, финансовых или государственных целях. На текущий момент значительная часть новых инвестиций направляется на разработку более дешевого и надежного оборудования для квантовых вычислений. Корпорации IBM, , Honeywell и Amazon Web Services вкладывают значительные средства в исследования и разработку наряду с хорошо финансируемыми стартапами, такими как IonQ. К примеру, IBM в рамках программы разработки нанотехнологических компонентов для кремниевых чипов в области квантовых компьютеров запланировал инвестиции на 3 млрд долл. до 2025 г. Однако финансирование проектов в сфере квантовых технологий не ограничено исключительно государственным, корпоративным и венчурным капиталом, источников финансирования зачастую гораздо больше (Рис. 6).

За последние годы, как было указано выше, значительно возросли объемы инвестиций со стороны венчурных компаний и корпораций. Их внезапный всплеск главным образом связан с утверждением государственных программ финансирования квантовых технологий, которые были выделены как через прямое финансирование, так и через гранты и иные инструменты, позволяющие совмещать усилия университетов, научно-исследовательских центров и частных компаний (Табл. 2).

Прогноз развития квантовых компьютеров

Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems. Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко.

Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости.

Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров? На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений. Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем.

Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм. Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий! Так почему бы и квантовому компьютеру не обернуться в ближайшие десятилетия приятной повседневностью, открывающей перед нами новые захватывающие горизонты?

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления – это новый класс вычислительной техники, использующие для решения задач квантовой механики. Эти устройства, на основе квантовых вычислений, могут многократно превосходить классические компьютеры при решении задач криптоанализа, моделирования сложных систем, а также машинного обучения искусственного интеллекта. По мере развития существующих квантовых компьютеров существующих квантовых компьютеров появление первых прикладных результатов можно ожидать в направлении ускорения задач машинного обучения и моделирования новых перспективных материалов.

Согласно классификации, QTRL разработки компаний в мире на данный момент соответствует уровням QTRL 4–5, т.е. в вычислительных системах данных компаний пока не решена задача реализации квантовых кодов коррекции ошибок и, соответственно, на них не могут быть в полном объеме реализованы практически значимые алгоритмы, например, такой как алгоритм Шора. В РФ на сегодняшний день реализованы прототипы квантовых компьютеров с 2 кубитами (по данным ДК ФПИ 2–10 кубитами) и квантовые симуляторы с 10–20 кубитами. Это соответствует уровню QTRL 3–4.

Ключевыми техническими характеристики квантовых вычислительных систем являются количество кубитов, реализованных в квантовом компьютере – размер квантового регистра; степень связности кубитов в регистре; точность инициализации квантового регистра; точность измерения состояний кубитов; время жизни кубитов; набор допустимых логических операций; точность реализации набора логических операций, которые могут быть выполнены над квантовым регистром.

Вычислительные же возможности квантового симулятора определяются классом систем и явлений, которые с его помощью могут быть промоделированы, а также точностью результатов моделирования. Поэтому при оценке их реализации целесообразно сравнивать не количество в них квантовых частиц, а спектр и востребованность задач, решаемых данным типом симулятора.

В России создан значительный научный задел в области квантовых вычислений, также развиваются различные элементные базы для построения квантовых компьютеров и квантовых симуляторов. Наиболее перспективным и лидирующими платформами в мире считаются три: сверхпроводящие цепочки, нейтральные атомы и ионы в ловушках (уровень развития QTRL–4–QTRL–5). Эти направления достаточно сильно развиты в России (QTRL–2–QTRL–4). Имеется задел по квантовым вычислениям с использованием фотонов и интегральной оптики, квазичастиц (поляритоны), а также ведутся поисковые исследования по примесным атомам в кремнии.

Ведутся обширные теоретические исследования в следующих областях: томография квантовых состояний и процессов, подавление ошибок в квантовых компьютерах, вариационные квантовые алгоритмы, алгоритмы квантового машинного обучения, эмуляция 7 квантовых вычислений, оптимизация квантовых операций, исследование ресурса существующих квантовых компьютеров.

Лидирующие организации

ВНИИА им. Н.Л. Духова; ИАЭ СО РАН; Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород);
Институт спектроскопии РАН (ИСАН); ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН; ИФП А.В. Ржанова СО РАН;
ИФП им. П.Л. Капицы РАН;
ИФТТ РАН;
КНИТУ–КАИ;
КФТИ;
КФУ;
Московский государственный педагогический университет (МПГУ);
МГТУ им Н.Э. Баумана;
МФТИ; НИТУ МИСиС;
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ, Новосибирск);
Российский квантовый центр (РКЦ, ООО «МКЦТ»);
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех);
Университет ИТМО (ИТМО);
ФИАН им. П.Н. Лебедева;
ФТИ им. А.Ф. Иоффе;
ФТИАН им. К.А. Валиева РАН;
Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова (ЦКТ МГУ им. М.В. Ломоносова).

Почему кванты

Любая аномалия на финансовом рынке — результат мошенничества, компьютерного сбоя или кибератаки, то есть, той или иной проблемы. Акции GameStop аномально подорожали в отрыве от фундаментальных показателей после спекуляций розничных инвесторов.

Квантовые алгоритмы машинного обучения способны обнаруживать такие ситуации в реальном времени, выявлять манипуляции, эффективно составлять стратегии против них, и это только один из способов их применения. В квантовой системе можно описать и более сложные модели поведения.

Квантовые системы способны детально просчитать и предсказать поведение агентов на рынке. Инвестор получает возможность вовремя выйти из акций или, напротив, получить денежную поддержку и отсечь конкурентов. Понимание поведения других игроков и их ресурсов (который не бесконечен), позволит эффективнее играть на рынке.

Ученые предсказывают изменение структуры фондового рынка с появлением квантового сегмента, однако истинный потенциал таких вычислений раскроется при совместном использовании классического и квантового подходов. Первые примеры мы увидим в течение 5-10 лет.

Основные рыночные тенденции развития квантовых технологий

Давайте рассмотрим основные моменты развития квантовых технологий в мире, и то, к чему они могут нас привести.

Согласно данным Markets and Markets основными драйверами роста для рынка квантовых вычислений станет борьба с киберпреступностью, использование квантовых вычислений в автомобильной и оборонной промышленности, а также увеличение объема государственных инвестиций. В Европе, США, Китае, Великобритании, Японии, Канаде и Австралии созданы программы по развитию квантовых технологий.
Другим драйвером развития квантовых вычислений является развитие машинного обучения и искусственного интеллекта. По данным Accenture половина роста экономики развитых стран к 2035 г. будет за счет AI – это 2.5 трлн долл. в год. Если предположить, что доля применений квантовых вычислений в AI составит 20%, то соответствующий денежный эквивалент может составить до 500 млрд долл. в год.
Наряду с государственными программами поддержки, интерес к квантовым технологиям проявляют такие компании как Google, IBM, Microsoft, Intel Alibaba, Hewlett Packard Enterprise, Nokia Bell Labs, и Raytheon. В мире уже появились первые потребители квантовых технологий. К ним относятся Lockheed Martin, Airbus, Volkswagen и др.
За счет потребления меньшего количества энергии в будущем квантовые компьютеры будут дешевле в использовании, чем классические суперкомпьютеры. Энергопотребление квантовых компьютеров будет более чем в 100 раз меньше, что позволит в будущем экономить десятки миллиардов долларов в год.

Квантовые сенсоры и метрология

Одной из главных тенденцией рынка станет применение квантовой сенсорики в области медицины. В частности, их использование будет востребовано в цитологии и создании новых медицинских устройств, например, для диагностики и лечения онкологических и других заболеваний.
Еще одним из главных трендов является растущий спрос на интернет вещей, что в значительной степени стимулирует рост рынка квантовых сенсоров.
Также рост соответствующего рынка стимулирует развитие глобальных навигационных систем, которые широко используется в аэрокосмической и автомобильной отраслях для навигации.

Квантовые коммуникации

Рост общего числа данных. По прогнозам IDC к 2020 г. цифровая вселенная достигнет объема в 40 зеттабайт. Всего с начала 2010 г. объем данных вырос в 50 раз.
Рост доли данных, нуждающейся в защите. По прогнозам IDC доля информации, нуждающейся в защите, неуклонно растет: с 30% до 40% к 2020 году. В то же время экспертами (Positive Technologies) отмечается, что уровень защиты данных недостаточно высок.
Рост инвестиций в IT–инфраструктуру (хранение и управление информацией, оборудование, телекоммуникации и персонал) в период с 2012 по 2020 г. на 40%. Инвестиции в хранение и защиту информации, Big Data и Cloud Computing будут расти значительно быстрее.
Рост числа инцидентов информационной безопасности. Рост обеспокоенности индустрии в отношении сохранности данных. Суммарные потери от киберпреступлений сейчас – более $ 1 трлн. в год, в том числе 600 млрд руб. в России. Прогноз на 2020 г. – до $ 2,1 трлн.
«Цифровизация» экономики: быстрое внедрение облачных технологий и блокчейнов. По прогнозам IDC к 2020 г. с использованием облачных сервисов будет обрабатываться почти 40% данных. 14
Ускорение темпов роста технологии квантовых вычислений за счет увеличения инвестиций со стороны государства (США – 20 млрд долларов, Китай – 10 млрд долларов, Европейский союз – 3 млрд евро и т.д.), со стороны частный компаний (Google, Intel, IBM, Microsoft, Alibaba, Huawei и т.д.), а также со стороны венчурных фондов. По данным The Economist, венчурные инвесторы вложили в проекты в сфере квантовых технологий больше 250 млн долларов за последние годы. Это касается как стартапов, разрабатывающих «железо» для квантовых компьютеров, так и программное обеспечение и другие технологии.
Крупные международные компании в области консалтинга и аудита (PwC, Accenture, Deloitte и др.) рекомендуют пересмотр долгосрочного плана обеспечения информационной безопасности из-за квантовых компьютеров.

Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы

Сверхпроводящие кубиты являются одной из лидирующих технологических платформ для разработки квантовых вычислительных устройств. Они отличаются от других типов кубитов хорошей масштабируемостью, стабильностью во времени, контролем параметров и относительной легкостью управления. Технология квантовых компьютеров и квантовых симуляторов на сверхпроводниковых технологиях в мире в значительной степени реализована. Именно на сверхпроводящих кубитах работают все созданные к настоящему времени коммерческие и другие, доступные специалистам для использования, вычислительные устройства.

В марте 2018 г. корпорацией Google был изготовлен квантовый процессор, состоящий из 72 кубитов. Такой квантовый процессор должен был обеспечить в пространстве квантовых состояний глубину вычислений, недоступную современным классическим компьютерами, и, тем самым, продемонстрировать квантовое превосходство. Однако этого на данный момент не произошло.

Квантовые чипы на основе сверхпроводниковых кубитов, созданные компаниями Google (слева), IBM (в центре) и стартап-компанией Rigetti Computing (справа)

Лидирующими организациями в России в сфере сверхпроводящих кубитов являются МИСиС, Российский квантовый центр (РКЦ), ФНИИА, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИФТТ РАН и НГТУ. В России реализуется проект под шифром «Лиман». В рамках него была отработана технология изготовления сверхпроводящих туннельных контактов субмикронных размеров и различных когерентных квантовых структур на их основе, продемонстрированы приготовление и контроль квантовых состояний для таких кубитов, квантовая томография приготовленных состояний, а также выполнение и контроль точности однокубитных квантовых вентильных операций.

На сегодняшний день консорциумом, реализующим данный проект, отлажена технология изготовления сверхпроводниковых двухкубитных схем, экспериментально охарактеризованы и продемонстрированы различные типы двухкубитных логических вентилей, известные как iSWAP.CZ и CNOT. Такие вентили могут осуществлять квантовое запутывание отдельных битов, необходимое для работы квантовых процессоров. Достигнута достоверность логических операций в пределах от 85 до 95%, реализована томография различных квантовых состояний, включая квантовое запутывание, а время когерентности кубитов достигло 50 микросекунд.

В сфере сверхпроводящих кубитов ожидается, что к 2024 г. будет создан универсальный квантовый вычислитель из 30–50 кубитов с достоверностью выполнения двухкубитных операций выше 95%. В России для развития данного направления необходимы инвестиции в размере p3 млрд до 2024 г., в том числе p1 млрд на покупку оборудования (криостаты растворения замкнутого цикла, измерительная техника, цифровые интерфейсы, устройства управления и обработки информации).

Как устроен квантовый компьютер: принцип работы

После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу.

Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе.

Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли?

Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем (например QCL, Quantum computing language), но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.

Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия)

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.

Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.

Первая и вторая квантовые революции

В распоряжении CNews оказалась полная версия дорожной карты развития квантовых технологий, подготовленная национальным исследовательским технологическим университетом МИСиС в рамках реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика».

Как отмечают авторы документа, первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии — мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.

Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.

Закон Мура

С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологи и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.

Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.

Законы классической физики не дают адекватного описания широкому ряду эффектов, наблюдаемых в микромире. К примеру, явление квантовой суперпозии и квантовой запутанности не имеют классических аналогов. Эти явления определяют функциональные особенности квантовых битов информации — кубитов. Переводя принцип квантовой суперпозиии на язык двоичной логики — основу работы современных информационных технологий — кубиты могут быть одновременно и в состоянии »0», и в состоянии »1» (в отличие от классических единиц информации, находящихся в каждый конкретный момент времени либо в состоянии »0», либо в состоянии »1»).

Разница между битами и кубитами: классические биты »0» и »1» могут быть представлены как два состояния на сфере, тогда как состоянию кубита отвечают все точки на сфере, а состояния »0» и »1» являются лишь их частным случаем

С точки зрения физики, кубит представляет собой двухуровневую квантовую систему, которая может быть реализована множеством различных способов. Примером кубита является спин электрона или поляризация фотона. Управление индивидуальными квантовыми объектами позволяет строить принципиально новые классы вычислительных устройств, использующие явления квантовой физики «за пределом действия» закона Мура.

Почему квантовые устройства для обработки могут быть мощнее классических? За последние 30 лет был найден ряд алгоритмов, реализуемых на квантовом компьютере, которые гораздо эффективнее лучших известных классических алгоритмов. Примером является алгоритм Шора, решающий задачу факторизации (разложения числа на простые множители) за время, возрастающее полиномиально с количеством значащих цифр в исследуемом числе. Время решения этой задачи с использованием классических алгоритмов возрастает экспоненциально с количеством значащих цифр. С ростом числа значащих цифр преимущественно квантового алгоритма над классическим становится колоссальным.

В классических вычислениях информация кодируется при помощи строк битов и выражается через последовательность нулей и единиц. Существует 1,024 способа записать строку из десяти классических битов. Соответственно, в регистр классического компьютера в каждый момент времени можно записать только одно из этих значений. В то же время, в силу принципа суперпозиции, 10 кубитов могут «закодировать» все 1,024 битовые строки одновременно. В настоящее время в классических вычислительных системах используется порядка 100 млрд регистров, тогда как кубитов сейчас порядка 100. Следовательно, потенциал увеличения количество кубитов очень большой.