В России впервые официально объявлено о планах создать квантовое вычислительное устройство: МГУ, ВЭБ, Фонд перспективных исследований и ряд других организаций создали консорциум, цель которого — разработка квантового симулятора, состоящего не менее чем из 50 кубитов, сообщает пресс-служба «ВЭБ Инноваций». До сих пор российские ученые создавали только единичные кубиты, в то время как западные уже демонстрировали установки на 50 кубитах.

Существует несколько типов квантовых вычислителей: универсальные квантовые компьютеры, способные к выполнению любых квантовых алгоритмов, и квантовые вычислители, в которых квантовые объекты имитируют поведение реальных систем (например, атомных спинов в магнитных материалах или сверхпроводниках). Сложность допустимых вычислений и моделируемых систем экспоненциально зависит от числа кубитов (квантовых битов) в вычислителе. Кубит, в отличие от «обычных» битов, может находиться в суперпозиции нескольких состояний, поэтому на квантовом вычислительном устройстве можно одновременно выполнять сразу множество вычислений. Считается, что уже 50-кубитный универсальный квантовый компьютер сможет справляться с вычислениями, недоступными для мощнейших современных суперкомпьютеров.

Однако квантовые вычислители обладают преимуществом над классическими компьютерами лишь в ограниченном диапазоне применений. Так, существуют квантовые алгоритмы, способные во много раз ускорить разложение чисел на простые множители (алгоритм Шора, его часто называют угрозой для современных систем шифрования), поиск корней булевых функций (алгоритм Гровера) и так далее. Точно так же квантовые симуляторы позволяют эффективно предсказывать поведение реальных квантовых систем, например, молекул или электронов в кристаллах — по сути, выступая их аналогами.

На сегодняшний день международными группами уже созданы квантовые симуляторы на основе 53 кубитов и 50-кубитные универсальные квантовые компьютеры. В этих приборах важно то, на базе каких конкретных физических объектов построены кубиты. Два наиболее популярных направления — сверхпроводящие джозефсоновские контакты и холодные атомы и ионы. К примеру, рекордно сложный 53-кубитный вычислитель построен на основе ионов иттербия, а в универсальных компьютерах чаще используются сверхпроводящие системы.

Оптическая ловушка для ионов. Institut für Experimentalphysik

В соглашении, подписанном в рамках Российского инвестиционного форума Внешэкономбанком, «ВЭБ Инновации», Фондом перспективных исследований, МГУ имени М.В.Ломоносова и АНО «Цифровая экономика», говорится о планах создания 50-кубитного вычислителя на базе фотонных чипов и нейтральных атомов, который будет использоваться для нужд производителей новых материалов и фармпрепаратов. Точные сроки реализации проекта, как и источники его финансирования в документе не указываются.

Ранее в России создавались лишь единичные кубиты на базе сверхпроводящих контактов Джозефсона, в этом проекте участвовали МИСиС, Российский квантовый центр, МФТИ и Институт физики твердого тела РАН. На физическом факультете МГУ существует лаборатория, где разрабатываются системы квантовой криптографии, квантовыми технологиями в России занимаются также петербургский ИТМО.

Вероятно, новый проект будет реализоваться совместно с Центром квантовых технологий МГУ, недавно выигравшим грант для центров компетенций Национальной технологической инициативы.

Квантовые вычислители уже используются в решении различных прикладных задач. Так, в 2016 году Google использовала квантовые нейронные сети для моделирования молекулы водорода. В 2017 году физики из IBM смоделировали более сложную молекулу — гидрида бериллия. Кроме того квантовые компьютеры уже применялись для исследования закономерностей рождения электрон-позитронных пар из-за флуктуаций вакуума. В перспективе вычислители позволяют эффективно моделировать сложные молекулы и их свойства, что, например, даст возможность точнее определять, как взаимодействуют молекулы лекарств с рецепторами на мембранах клеток.

Автор: Владимир Королёв