«Мы готовимся к перелому в вычислительной парадигме»
Николай Колачевский, научный руководитель дорожной карты по квантовым вычислениям, — о результатах работы и задачах на 2026 год
В дорожной карте «Квантовые вычисления», за которую отвечает «Росатом», участвует много научных групп и организаций. Мы обратились с просьбой рассказать об итогах 2025 года и задачах на 2026 год к научному руководителю дорожной карты академику РАН Николаю Колачевскому.
— Николай Николаевич, расскажите, каких интересных результатов удалось добиться за год.
— Коротко напомню предысторию. Работа в направлении квантовых вычислений стартовала в 2020 году, когда по решению правительства России и при координации «Росатома» ученые ряда научных институтов и университетов страны разработали соответствующую дорожную карту. Документ был утвержден, и можно сказать, с этого момента Россия по-настоящему включилась в глобальную квантовую гонку. Начали мы с большого отставания от стран-лидеров, хотя определенные научные наработки в нашей стране уже были, в частности, имелись квантовые процессоры в 2 кубита.
Главной задачей первой дорожной карты, рассчитанной до 2024 года, было научное развитие и создание отечественного прототипа квантового компьютера. Это очень сложная научная задача — до сих пор в мире идет серьезная работа по созданию квантового компьютера с высоким качеством операций, например вычислителя в 100 кубитов с точностью операций 99,99%.
К началу 2025 года мы существенно продвинулись в решении этой задачи. Организациями квантового проекта «Росатома», в том числе возглавляемым мною Физическим институтом, МГУ им. М. В. Ломоносова и НИТУ «МИСИС», были созданы прототипы квантовых вычислителей на ионах, атомах, фотонах и сверхпроводниках. Тем самым Россия вошла в число первых трех стран (вместе с США и Китаем) с действующими квантовыми процессорами на всех четырех основных платформах. Вместе с тем США и Китай остаются безусловными лидерами сферы квантовых технологий, они с большим отрывом ушли вперед.
В 2025 году стартовала дорожная карта по квантовым вычислениям до 2030 года. Мы серьезно обсуждали ее с научными группами, проектировали результат, который может быть продемонстрирован к 2030 году. Дело в том, что обязательства — это большая ответственность, они должны опираться на реальную базу и при этом быть амбициозными, чтобы стимулировать результат качественно иного уровня.
Благо, у нас для этого создана хорошая база: в рамках дорожной карты приобретено исследовательское оборудование и оснащаются новые лаборатории, сформированы и укрепились команды, участвующие в дорожной карте, — у нас стало гораздо больше понимания, что надо делать и куда двигаться.
В новой дорожной карте уделено внимание развитию квантовых процессоров — до 300 кубитов к 2030 году, квантового ПО — запланирована разработка 54 новых квантовых алгоритмов в дополнение к 34, созданным на первом этапе квантового проекта. Но вызовом нового этапа становится практическое применение квантовых вычислений. Да, квантовое превосходство для решения полезных задач еще не достигнуто, но мы уже сегодня должны готовиться к квантовой практике, чтобы потом не оказаться в отстающих. Ученым нужно учиться взаимодействовать с представителями производства и понимать их задачи. Равно как и промышленникам предстоит погружение в квантовые технологии.
— Сколько времени потребуется на это?
— Конечно, это процесс небыстрый. Но по инициативе «Росатома» уже в 2025 году здесь набран хороший темп. Представители научных групп проводят семинары для дивизионов атомной отрасли и других отраслей, мы знакомим коллег с квантовыми вычислителями, идет целенаправленная работа по поиску задач для решения с применением квантовых вычислений. И что очень важно, чтобы совместная работа шла быстрее, разрабатывается образовательная программа для сотрудников «Росатома» по квантовым вычислениям.
— А что сегодня определяет научную повестку дорожной карты?
— Научные группы работают над увеличением мощности квантовых вычислителей. Не просто количества кубитов, но и точности операций, способности к коррекции ошибок… Например, ученые, развивающие ионный процессор, говорят о том, что в архитектуре на оптических кубитах на ионах иттербия на длине волны 435 нм есть ограничения по времени когерентности. И нет возможности перешагнуть рубеж чуть выше 98% по достоверности двухкубитных операций. Чтобы его преодолеть, надо использовать другие методы, которые они уже активно прорабатывают.
Несмотря на ограничения, ионный квантовый вычислитель, созданный учеными Физического института, на сегодняшний день самый мощный в России. У него 70-кубитная архитектура на 35 ионах в кудитной конфигурации (кудиты — квантовые объекты, которые, в отличие от двухуровневых кубитов, имеют три и более рабочих состояний. — Примеч. ред.), на нем можно запустить полноценные алгоритмы. IBM заявляет, что может запускать до 5 тыс. двухкубитных операций на своем процессоре «Козодой» (Nighthawk). На процессоре Google «Ива» (Willow) — примерно 3 тыс. операций. Но надо понимать, что это не глубина алгоритма 3 тыс. операций, а показатель того, сколько вообще когерентность в квантовом компьютере позволяет запустить двухкубитных операций.
— А что у нас?
— Около 50 двухкубитных операций. С лидерами большой разрыв, но мы его сокращаем. Уже сегодня мы можем запускать довольно сложные и разнообразные алгоритмы, причем с коррекцией ошибок. В этом году физики РАН вместе с партнерами работали в направлении смягчения ошибок, и первые результаты соответствуют мировому уровню. Направление смягчения ошибок появилось только в 2025 году, раньше мы на этом не фокусировались, и надо научиться грамотно использовать его возможности. Сделать полную матрицу ошибок квантовой системы, чтобы потом научиться их корректировать, — отдельная научно-техническая задача.
Ученые этой же научной группы реализовали самый большой в мире квантовый алгоритм на кудитах — 10-кубитный гейт Тоффоли (многокубитную логическую операцию. — Примеч. ред.) — и показали мировой рекорд. Научились перепутывать в кудитной архитектуре два и более куквартов (квантовых единиц информации, имеющих четыре стабильных состояния. — Примеч. ред.). За этим — огромная научная работа: надо подготовить софт, откалибровать систему, понять тонкие нюансы, которые возникают за счет сдвигов энергии уровней в системе. Теперь мы на уровне, который приближает нас к практическому использованию. Опубликовали об этом блестящую статью в журнале Physical Review Letters.
Еще одно направление — развитие исследовательской базы. В лабораториях РАН сейчас в финальной фазе монтаж оптических столов под квантовые компьютеры. Это означает полную готовность к тому, чтобы размещать квантовый компьютер больше 100 кубитов в современной инфраструктуре.
— Как продвигается команда, работающая с нейтральными атомами?
— Я горжусь результатами, которые показали в 2025 году коллеги из МГУ им. М. В. Ломоносова в рамках квантовой дорожной карты. Они переделали архитектуру своего компьютера на нейтральных атомах: изменили схему возбуждения, чтобы создать ридберговскую блокаду — это ключевое условие для реализации двухкубитной операции на нейтральных атомах. Суть такая: чтобы два кубита взаимодействовали и один кубит знал о существовании и состоянии второго, лазерами один из кубитов переводится в высоковозбужденное состояние, атом становится большим, вплоть до одного микрона, и начинает настолько сильно влиять на соседний атом, что тот реагирует на изменения, которые происходят в первом. То есть один атом блокирует возможность операции на втором атоме. Так вот, коллеги изменили систему возбуждения: поставили новые лазеры, стабилизировали их, получили гораздо лучшие характеристики процесса возбуждения в ридберговское состояние.
Затем они изменили вычислительные структуры. Раньше у них был единый массив атомов — прямоугольник 10 на 5 атомов, и они пытались проводить в нем двухкубитные операции. Это сложно, потому что, когда много соседей, тяжело сделать глобальный пучок для возбуждения. Поэтому они сделали регистр памяти из 72 атомов — прямоугольник 9 на 8 атомов. А под ним сделали вычислительный регистр из маленьких «прямоугольничков», куда они вытаскивают по два атома с помощью оптических пинцетов, проводят над ними операции и возвращают обратно. Очень напоминает архитектуру обычного компьютера, у которого есть процессор и память. Правда, процессор пока маломощный — три зоны по два кубита. Плюс из-за своей специфики атомные кубиты пока «живут» не так долго, как хотелось бы, — всего несколько секунд, и качество операций надо улучшать, но то, что им удалось, — существенное достижение. Это позволяет масштабировать систему. Можно не 72 кубита ставить в память, а 300 или 500, насколько мощности лазера хватит, а вычисления проводить на вычислительном регистре. Тогда открывается довольно понятная, хотя и непростая дорога к системам в 100, 300 и так далее кубитов.
— Расскажите, пожалуйста, про сверхпроводники.
— В этом направлении есть хорошие новости. В рамках дорожной карты в НИТУ «МИСИС» было продемонстрировано 16 кубитов в процессоре на флаксониумах с хорошей точностью двухкубитных операций, 98,7%. Это соответствует хорошим международным показателям. Есть сложности, которые предстоит преодолевать, они в большей степени носят технологический характер: надо сделать криогенные усилители на чипе и высокочастотную электронику, увеличить время когерентности, улучшить качество однокубитных операций, потому что у сверхпроводящей платформы больше сложностей именно с ними.
В целом у нас в стране есть три научные группы, которые на разных технологических базах развивают сверхпроводниковые процессоры, в том числе упомянутый МИСИС, он работает в рамках дорожной карты. У всех трех групп серьезные планы по развитию. Это, я считаю, характеризует наш потенциал в стране.
Что еще важно. В России научились делать криостаты растворения для сверхпроводниковых вычислителей. В них можно создавать температуру на уровне 20 мК. Этого достаточно для создания сверхпроводящих цепей. Такие делали в Советском Союзе, но мы эти технологии в большой степени растеряли. Около четырех лет назад Минобрнауки России запустило проект по научному приборостроению, в рамках которого удалось создать такой криостат. Это открывает возможности для развития сверхпроводниковых платформ в целом по стране.
— Интересно узнать про флаксониумы.
— Флаксониумы (особый тип сверхпроводящих кубитов. — Примеч. ред.)насегодняшний день — это главный конкурент классических сверхпроводниковых кубитов. Ученые дорожной карты из МИСИС продемонстрировали малокубитную систему на флаксониумах с высокими показателями когерентности. Вместе с тем пока флаксониумы находятся в разряде перспективных платформ.
— Они не лучше «обычных»?
— Это одно из направлений развития сверхпроводниковых вычислителей. Ученые во всем мире, как и у нас в стране, ищут новые подходы и решения, которые позволят серьезно продвинуться на новый уровень качества процессоров, хотя это непростая задача. И направление флаксониумов в этом смысле является интересным.
В квантовых вычислениях вообще много интересных направлений. Поэтому в дорожную карту заложены дополнительные проекты, которые нужны, чтобы в развитии текущих платформ не упустить перспективные исследования. Ведь в целом это сфера только формируется, и мы должны обладать наработками по целому спектру направлений.
— А что сейчас в мире мейнстрим?
— Сверхпроводниковая платформа на трансмонах и ионная платформа на чипах. Ряд зарубежных компаний, к примеру IBM, уже предлагают свои сверхпроводниковые «квантовые машины» для продажи.
— Зачем? Какие задачи решают покупатели?
— В основном академические: тренировка, изучение интеграции с суперкомпьютерами, составление алгоритмов для многокубитных квантовых компьютеров. Ставят квантовые компьютеры рядом с ЦОДами, развивая интеграцию квантовых вычислений с суперкомпьютерами. Приобретая квантовые компьютеры, страны, у которых не было разработок в этой области, по сути, вступают в квантовую гонку.
— В части квантового железа нам пока продавать нечего?
— В рамках дорожной карты к 2030 году будут созданы два промышленных квантовых вычислителя. Но, как исследователь, я заинтересован в том, чтобы практическое применение немножко отложилось вправо.
— Почему же?
— Как только появится четкое понимание того, что надо предпринять и какие надо сделать шаги для создания «коробочного» квантового вычислителя, это станет делом инженеров, и роль ученого уйдет на второй план — он должен будет заниматься новым направлением, «смотреть на далекие звезды». Но будет плохо, если все останется только в контуре исследований. Стране надо, чтобы хотя бы часть этих исследований перешли в железо и алгоритмы, которые потом будут использоваться для практических задач.
— Какими вы видите практические задачи из сегодняшнего дня? Понятно, что через год это представление может измениться.
— Это самый сложный вопрос. В мире нет полного понимания, где будут использоваться квантовые компьютеры. Но есть масса ожиданий, причем у самых сильных игроков, IВM и Google, что практическое применение даже без превосходства начнется в ближайшие три года. Области, в которых предсказывают практическое применение, — то, что я читаю в профильной литературе, — ближе всего к исследованиям в физике: ферромагнетики, спиновые материалы. Может быть, расчет сложных молекулярных соединений, потому что атомы в молекуле — это суть квантовые объекты и взаимодействие в атоме — квантовое. Именно поэтому квантовый компьютер неплохо моделирует квантовое взаимодействие в атоме.
Еще есть ожидание, подтвержденное рядом масштабируемых примеров, что можно будет на квантовых процессорах решать задачи квадратичной оптимизации, то есть логистики, улучшения производственных процессов. Они, по сути, однотипные: у тебя есть довольно сложный граф, и ты должен искать в нем оптимальные пути. «Яндекс. Карты» — один из хороших примеров задач квадратичной оптимизации, когда надо связать две точки через потенциально очень разные пути. Вот те направления, которые в мире сейчас продвигаются.
Также все понимают, что универсального квантового компьютера в том виде, в каком изначально обсуждалось, — мол, у нас вместо обычного компьютера будет квантовый, — не будет. Это даже по суперкомпьютерам видно: есть на GPU, на CPU, есть с искусственным интеллектом, есть те, которые считают потоковые данные, и это совершенно разные направления. Мы сейчас готовимся к некоему перелому в вычислительной парадигме, подобному появлению больших языковых моделей. Видимо, какие-то задачи будут отдаваться специализированным вычислителям, и квантовые вычислители смогут там занять свою нишу.
— Давайте свернем с общей квантовой истории на конкретно ионный процессор, который ближе вам. Какие задачи он может решать?
— Фокус ионного вычислителя — задачи оптимизации. Например, он может выполнять алгоритм Гровера. Он практически значим и связан с расшифровкой бинарной строки. Но тут встает вопрос большой ресурсоемкости: количество задействованных кубитов быстро растет с увеличением объема входных данных, поэтому для него надо не 3–4, а 100 кубитов запускать.
Мы уже решали задачи, связанные с факторизацией, логистикой, есть наработки для решения линейных уравнений. Для проекта «Прорыв» «Росатома» посчитали некоторые задачи теплопроводности. Они, конечно, тестовые, но с практическим оттенком.
Еще одна практически значимая история — менять верхний слой нейросети на квантовый слой и распознавать числа, буквы. В Физтехе это тоже делают. Насколько это перспективная история, сказать не могу. По ощущениям, пока мы далеки по мощностям от больших языковых моделей и других систем, которые этим занимаются сфокусированно.
Есть довольно большой стек задач и гипотез, которые мы в рамках обязательств по дорожной карте должны в ближайшие годы прорабатывать. Хочется найти так называемые масштабируемые алгоритмы. Суть их в том, что ты на «игровой» задаче показываешь практически значимый результат, а потом, при появлении более мощного железа, которое, надеемся, появится через три — пять лет, можно будет алгоритм масштабировать с прицелом на то, что он будет работать эффективнее классического.
Именно в этом состоит философия упомянутой мною программы внедрения квантовых вычислений в атомной отрасли. Тестовые проекты здесь касаются оптимизации различных производственных процессов, моделирования химических и биохимических реакций, ИИ.
— А просчитывать молекулы? Ваш коллега Илья Семериков говорил, что на ионном процессоре такие расчеты делали.
— Да, делали. Что надо сегодня: у вас есть сложная молекула, и примерно понятно, что она делает. И есть ощущение, что если к ней присоединить углеводородную цепочку или радикал или перегруппировать, то это может усилить или ослабить действие основного препарата. Искусственный интеллект научился с высокой степенью достоверности отвечать на вопрос, будет ли новая молекула устойчивой. Если она неустойчива, то химик может месяц пытаться синтезировать, прежде чем поймет, что это невозможно. И задача квантового вычислителя такая же: понять, насколько то или иное атомарное или молекулярное соединение стабильно.
— Как?
— Мы сейчас в глубокую физику уйдем. Давайте расскажу про ферромагнетики, у них спины неким чудесным образом выстраиваются все в одну сторону. Это тоже квантовый материал: любой постоянный магнит — это квантовый материал. Природа так решила, что всего три материала являются ферромагнетиками — железо, никель и кобальт. Но к ним добавляют самарий, неодим и т. д., и надо ответить на вопрос, сохранятся ли магнитные свойства, усилятся или исчезнут. На компьютере это посчитать очень-очень сложно, потому что это волновые функции, взаимодействие орбиталей и точка Кюри: когда при нагреве ты ее проходишь, все магнитное чудо разваливается, и у тебя в руках просто кусочек железа.
— А как это можно посчитать?
— Ну как… Это очень сложно и описывается очень большой матрицей. Если у потенциальной кривой есть минимум, значит, скорее всего, состояние будет стабильным. Это нормальная молекулярная физика начинается.
Еще есть интересная задача расчета свертывания белков. Длинная молекула как-то сворачивается и остается стабильной, да еще и дает доступ к некоторым внешним связям. Те, кто занимается квантовой химией, некоторые шаги в эту сторону делают.
— Квантовые компьютеры смогут это рассчитывать?
— Задачи, которые люди считают практическими, могут быть решены с помощью очень хорошо проработанных пакетов программ на суперкомпьютерах. Квантовые компьютеры пока к этим возможностям не подошли.
— Надо же с чего-то начинать.
— Надо убедить людей, что надо с чего-то начинать. Люди в основном заняты решением своих задач, а им приходится делать большой шаг назад, редуцировать свою задачу до достаточно примитивной, чтобы ее можно было приспособить к квантовому процессору. Это неплохо, происходит взаимное погружение, но процесс требует усилий. Пока мы говорим про молекулы, то ученые взаимообогащаются. А если речь идет о логистике? Квантовому физику вникать в оптимизацию перевозок и движение контейнеров? Прямо скажем, не его профиль. Нужны специальные «мостики» между этими двумя сторонами, и хорошо, что у нас они есть, к примеру группа дорожной карты под руководством Алексея Федорова. Это высокое искусство — определить направление, которое будет тебя обогащать в научном плане и интересно с практической точки зрения. Приходится иногда какие-то барьеры внутренние ломать, когда, например, люди тебе говорят, что у них на решение задачи есть от трех до шести месяцев, и если за этот период задачу не решить, то им неинтересно. Я их понимаю, они в процессной деятельности, у них снег падает, и надо оптимизировать движение грузовиков на снегоплавильные точки, а мы тут с квантовыми компьютерами. Договорились, что будем продолжать. Посмотрим, какую из их задач можно приспособить к квантовым компьютерам, кем из наших людей можно в хорошем смысле пожертвовать, чтобы подключить к обсуждению.
— Это жертва?
— Квантовых алгоритмистов во всей стране, наверное, всего около сотни. В Физическом институте есть четыре хороших алгоритмиста. Если я на взаимодействие с внешними сторонами выделю двух, то у меня останутся только два. И надо понимать, что работая с ними, наши ученые не потратят время на то, чтобы получить публикацию в Physical Review Letters или Nature. Многие ученые думают, как красиво сделать эксперимент, как красиво его обыграть, тратят на это годы своей жизни. В это время заниматься чем-то совсем другим почти невозможно.
— Какие задачи стоят на 2026 год?
— Во-первых, мы должны выполнить показатели по числу кубитов. Второе важное направление — повышение качества операций. Мы все хотим, чтобы на квантовом компьютере можно было производить реальные вычисления и запустить алгоритм — тестовый, оригинальный — любой. Без повышения качества операций сделать внятный алгоритм невозможно. Третье направление, к которому мы близко подошли, — это коррекция ошибок и то, что мы для этого можем сделать не в железе, а в софте. И, если говорить конкретно про нашу группу (развивающую платформу на ионах иттербия. — Примеч. ред.), то четвертое направление — это оригинальные алгоритмы. Мы будем прорабатывать и дальше продвигать нашу кудитную историю. Мы написали транспилятор, то есть «переводчик» из стандартного квантового языка на наш, кудитный, он распределяет задачи по нашей кудитной архитектуре. Думаю, результаты будут хорошими. Есть понимание, что четырехуровневые системы выигрышны для нас. Наконец, пятое направление — технологическое: нам надо сфокусироваться на технологиях. Если говорить про трансмоны, то это улучшение технологии создания чипов и криогенной части. Понятно, как делать, осталось сделать. По ионам — это ловушки. Мы сделали первые однокубитные операции в планарной системе. Это лишь самые первые шаги в сторону систем, которые страны-лидеры уже коммерциализируют. Но мы намерены активно работать в этих направлениях.
— Насколько это сложно?
— Это уже в чистом виде гонка технологий, подобная той, которую мы наблюдаем в микроэлектронике. Если бы мне 20 лет назад сказали, что будут интегральные системы в 7–10 слоев с толстыми диэлектриками, конденсаторами и детекторами на чипе, с подведенными к ионам волноводами, что можно будет устойчиво взаимодействовать со свободно висящими ионами в карманном устройстве, что они там будут жить неделями, я бы это воспринял как очень-очень-очень далекую научную цель. А сейчас это стало простым делом. Мы к этому пока делаем первые шаги. В разработке планарной технологии мы находимся в той же фазе, что и в 2020 году в работе с кубитами. Разрыв пока большой. И он не преодолевается только с помощью ученых, потому что есть еще проблемы микроэлектроники: литографии, травления, материалов, шлифовки, контроля качества и вообще культуры работы. К сожалению, в этих технологических задачах прыжком ничего не получится сделать, даже если очень хочется быстрее и лучше. Надо двигаться поступательно — невозможно сразу воспроизвести сложную систему, пока не разберешься в нюансах.
— Так что же делать?
— Последовательно работать. Обрастать людьми, которые имеют вкус к технологической деятельности, мы таких сильно подрастеряли за последние годы. У них своеобразная модель труда: они не ученые, у них грантов нет, но нет и серийного производства, на котором они зарплату бы получали, они привязаны к единичным установкам. Поэтому им нужны хорошие зарплаты.
Нужно создавать помещения, специально приспособленные под квантовые компьютеры. Чем больше кубитов, чем выше точность, тем выше требования к помещению по вибрации, температуре, влажности, доступу к энергоснабжению. Любой сбой в электроснабжении приведет к неприятным последствиям для качества вычислений.
Резюмируя: на 2026 год я смотрю вполне оптимистично. Не вижу препятствий к тому, чтобы мы сохраняли набранный темп. Развитие очень сильно зависит от мотивации, поэтому то, что в мире квантовая тема движется, — это, конечно, сильный мотиватор. Ученые квантового проекта, а это молодые ребята, видят, что направление живое, к ним большой интерес. С одной стороны, это утомительно, когда у тебя раз в две недели визит гостей в лабораторию, с другой стороны, это здорово, значит, тобой интересуются. Ученый — это творческая профессия. Если творческой профессией интересуются, за счет этого она и живет. Деньги имеют потолок мотивации. Люди работают активно и увлеченно не только за деньги, но и потому, что это интересно.
