Квант для атома

От теории к практике: какие задачи квантовые компьютеры смогут решать для атомной отрасли

— Алексей, создание и практическое применение квантовых компьютеров — одна из самых увлекательных и захватывающих тем, которая привлекает к себе повышенное внимание. Сегодня Росатом выступает в роли технологического лидера развития этого перспективного направления в нашей стране. Что уже удалось сделать и, главное, каковы дальнейшие шаги?

— Действительно, создание квантового компьютера — вопрос, который интересует сегодня не только физиков и специалистов в области цифровизации, но и представителей множества других профессий. И такое внимание далеко не случайно. Ведь речь идет о появлении нового класса принципиально более мощных вычислительных систем. Сегодня практически нет сомнений в том, что с использованием квантовых компьютеров будут созданы новые материалы и лекарства, на качественно новый уровень выйдут возможности систем оптимизации и искусственного интеллекта.

После подписания в 2019 году соглашений о намерениях между правительством России и крупнейшими госкомпаниями, Росатом принял на себя очень серьезные обязательства по поддержке ряда высокотехнологичных областей. И одна из таких приоритетных задач — развитие квантовых вычислений. К 2024 году предстоит создать набор прототипов отечественных квантовых процессоров с конкурентными в мировом масштабе параметрами. А стратегическая цель состоит в том, чтобы обеспечить нашей стране уверенные позиции в числе лидеров глобальной квантовой гонки.

На мой взгляд, главный результат проделанной работы состоит в том, что все российское квантовое научное сообщество сфокусировано на реализации дорожной карты и объединено единой целью.

В 2021 году в сфере квантовых вычислений мы рассчитываем добиться двух очень важных побед. Во-первых, предстоит создать прототип квантового процессора. И, во-вторых, мы планируем впервые в мире осуществить решение технологических задач атомной отрасли с помощью квантовых алгоритмов.

 

— На какой физической платформе будет построен прототип квантового процессора? Ведь, как известно, в мире существует несколько подходов.

— Реализация дорожной карты развития квантовых вычислений предполагает построение нескольких прототипов квантовых процессоров на различной элементной базе. Вы правы, на сегодняшний день в мире еще не определилась единственная элементная база, которая считалась бы единолично лидирующей для квантовых компьютеров. Тем не менее уже сформировалось несколько платформ, в развитии которых происходит очень серьезный прогресс. Это сверхпроводники, ультрахолодные атомы, ультрахолодные ионы и фотоны. Исследовательские проекты, реализуемые на этих платформах, демонстрируют примерно одинаковые показатели. И все они развиваются в рамках дорожной карты. Если говорить о создании квантового процессора из пяти кубитов в 2021 году, то мы предполагаем, что эта задача будет решена на ионной платформе, которая входит в категорию лидирующих. Предварительные результаты по сбору массива ионов (а это основа построения квантового процессора) у нас уже есть. Результаты получены в рамках проекта Лидирующего исследовательского центра (ЛИЦ) по квантовым вычислениям, который поддержан Росатомом.

Следующий этап — реализация на этой платформе сначала квантовых операций, а впоследствии и квантовых алгоритмов. Это позволит перейти к решению модельных, а затем и практических полезных задач.

 

— Известно, что нынешнее поколение лабораторных образцов квантовых компьютеров во всем мире тестируется преимущественно на абстрактно-теоретических вычислениях. На каких практических задачах атомной отрасли в 2021 году планируется проверить подходы, закладываемые в создаваемый прототип квантового процессора?

— Это очень интересный и ответственный вызов — использовать квантовые компьютеры для решения практических задач атомной отрасли. Могу сказать, что уже сейчас выявлено несколько направлений, в которых квантовые компьютеры могут быть намного мощнее, чем классические. Одно из них — решение задач комбинаторной оптимизации. То есть поиск лучшего решения из огромного количества возможных.

В рамках традиционного подхода перебор вариантов занимает колоссальное количество времени. Между тем, благодаря своей «необычной» квантовой природе, квантовый компьютер позволяет либо решать такие задачи за фиксированное время более качественно (находить более оптимальное решение в установленный срок), либо находить решения такого же качества, но существенно быстрее.

Поэтому мы уверены, что для атомной отрасли квантовый компьютер может быть чрезвычайно полезен. Прежде всего как инструмент решения оптимизационных задач. Причем в очень широком диапазоне: от обслуживания реакторов до энергоэффективности и логистики. И мы уже приступили к разработке квантового алгоритма для решения оптимизационных задач обслуживания ядерного реактора.

 

— Это очень ответственные задачи. А значит, возникает вопрос о том, как мы можем проверить правильность решений, предлагаемых квантовым компьютером…

— Так получилось, что квантовые компьютеры в первую очередь способны ускорить решение тех задач, где без особых усилий можно очень быстро проверить правильный ответ.

Пример такой задачи — разложение чисел на простые множители. Если дано большое число, не так-то легко понять, из каких простых множителей оно состоит. Зато перемножить их и проверить ответ — очень просто. Так вот, именно при решении задач оптимизации всегда есть возможность сравнить «квантовые» решения с теми, которые получены на классических компьютерах. И тем самым сделать вывод об их корректности.

Особо отмечу, что в атомной отрасли квантовые компьютеры пока масштабно не использовались. И мы ожидаем, что наш практический кейс будет первым в мире.

 

— Сегодня во всем мире, в частности в российской атомной отрасли, формируются огромные массивы информации, которые все более активно используются для подготовки аналитики, прогнозирования. Позволит ли появление квантового компьютера повысить эффективность работы с так называемыми большими данными?

— Да, работа квантовых вычислителей с большими данными возможна. Причем одной из наиболее перспективных областей применения, по моим оценкам, будет выступать машинное обучение. Это следующий этап нашей работы по отношению к задачам оптимизации. И он также предусмотрен как в утвержденной дорожной карте развития квантовых вычислений, так и в наших внутренних планах решения прикладных задач.

 

— Можно ли в перспективе ожидать появления квантового ноутбука?

— Я бы не исключал такой возможности в обозримом будущем. Но есть и другой вариант. Мы сможем пользоваться ноутбуком, который будет подключен к квантовому компьютеру как к облачному сервису. Это тенденция, по которой сейчас развиваются вычислительные технологии. Проще говоря, будет реализован облачный доступ к квантовым процессорам, которые физически находятся, например, в лаборатории.

 

— Каков размер квантового компьютера?

— Сам процессор невелик. Основное место занимает система контроля, также требуются приборы для поддержания квантового состояния, например, для этого используются системы охлаждения. Но, на мой взгляд, миниатюризация сейчас не главное. Сначала нужно создать действительно мощный квантовый компьютер, который будет успешно решать практически полезные задачи. А уже затем переходить к вопросам снижения его размеров и стоимости.

 

— В какой мере сегодня при создании квантового компьютера удается опираться на отечественные комплектующие?

— Отечественные комплектующие, безусловно, используются. Но пока нет возможности создать квантовый компьютер полностью на российской элементной базе. Поэтому сейчас разворачивается работа по замещению ключевых компонентов. Это также одна из задач реализации дорожной карты. В частности, у коллег из Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, которые реализуют проект ЛИЦ и проекты в рамках дорожной карты, есть много идей о том, как на базе российских технологий создать необходимые комплектующие, приборы и устройства. Мы активно обсуждаем эти возможности.

 

— В мире классических компьютеров широкое распространение получили распределенные системы, когда вычислительные мощности взаимодействуют друг с другом по сети. Может ли такой подход использоваться в мире квантовых вычислений?

— Распределенные квантовые вычисления пока невозможны, поскольку для этого необходимо передавать эффективно квантовую информацию между квантовыми процессорами. Думаю, что построение таких сетей — это следующий этап развития, когда в рамках модульной архитектуры квантовые компьютеры будут связаны между собой квантовыми коммуникационными каналами. Пока такую технологию никто в мире не продемонстрировал — показаны лишь некоторые элементы на уровне лабораторных экспериментов. Но это тема очень интересует ведущих участников формирующейся индустрии квантовых вычислений. Мы внимательно изучаем это направление. Полагаю, что в ближайшем временном горизонте квантовые компьютеры существуют именно как локальные модули, однако следующим этапом может стать модульная реализация.

 

— Как и все новые технологии, создаваемые сегодня квантовые компьютеры достаточно дороги. Это сфера, требующая существенных инвестиций в исследования, разработки. Тем временем классические суперкомпьютеры — сложившийся сегмент рынка с достаточно прозрачной себестоимостью решения прикладных задач. Есть ли возможности для сокращения этого разрыва?

— Вы правы, себестоимость квантового компьютера пока выше, чем у традиционных суперкомпьютерных вычислений. Тем не менее недавно появились результаты международного исследования, которые свидетельствуют: себестоимость квантового вычислителя может быть снижена до величины, когда попытка промоделировать его поведение на суперкомпьютере обойдется дороже, чем реальное создание квантовой системы. То есть построить квантовый компьютер может быть дешевле, чем пытаться «воспроизвести» его на суперкомпьютере. Потенциал для снижения стоимости достаточно серьезный, но это не первоочередная задача.

 

— Каковы планы предоставления возможностей квантовых вычислений для других отраслей?

— Прежде всего мы должны отработать вопросы применения квантового компьютера в атомной отрасли и создать все необходимые элементы: алгоритмы, программные библиотеки, инструменты разработки, наборы сервисов и услуг. А это, в свою очередь, позволит нам предоставить отработанную платформу квантовых вычислений и для других отраслей экономики.

 

Цитата

«Для атомной отрасли квантовый компьютер может быть чрезвычайно полезен. Прежде всего как инструмент решения оптимизационных задач. Причем в очень широком диапазоне: от обслуживания реакторов до энергоэффективности и логистики. И мы уже приступили к разработке квантового алгоритма для решения оптимизационных задач обслуживания ядерного реактора»

 

Досье

Алексей Федоров поступил в МГТУ им. Н. Э. Баумана в 15 лет. В 17 лет начал стажировку в лаборатории квантовой оптики Университета Калгари, куда его пригласил Александр Львовский, ученый и профессор этого университета. С 18 лет работает в Российском квантовом центре: инженером, исследователем, а в данный момент руководителем научной группы. В 2011, 2015 и 2016 годах ученый получал премию Московского физического общества для молодых физиков. В 23 года защитил диссертацию по теоретической физике в Лаборатории теоретической физики и статистических моделей Национального центра научных исследований Франции и Университета Париж-11. В 2019 году вошел в список «30 до 30» Forbes Russia. Опубликовал более 40 научных работ в различных областях физики, разработал идею первого в мире квантового блокчейна. В настоящее время Алексей Федоров — руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МФТИ, соруководитель совместной Лаборатории квантового искусственного интеллекта Росатома и Российского квантового центра.