Квантовый ликбез

Зачем нужны квантовые компьютеры, если уже есть супермощные классические?

Квантовый и классический компьютеры — ​не конкуренты, один не заменит другой. Проще всего сравнить их с ракетой и автомобилем: области применения не пересекаются, на дачу на ракете не доберешься.

Квантовый компьютер (КК) отличается от классического больше, чем классический — ​от бухгалтерских счетов. В основе классических компьютеров — ​миллиарды транзисторов, действующих как крошечные электронные переключатели. Каждый транзистор может находиться в одном из двух состояний: «включен» (1) или «выключен» (0). Эти состояния называются битами. Основа квантового компьютера — ​кубиты (квантовые биты): объекты, способные пребывать одновременно в состояниях 0 и 1, то есть в суперпозиции. Для работы квантового компьютера нужно запутать кубиты. Квантовая запутанность — ​взаимосвязь двух любых кубитов и выполняемых над ними действий. «Квантовую физику невозможно понять, но к ней можно привыкнуть», — ​шутят физики.

Для того чтобы удвоить мощность классического компьютера, нужно в два раза увеличить количество транзисторов. А квантового — ​добавить один кубит.

При оценке производительности квантового компьютера учитываются не только количество кубитов, но и их качество (время когерентности, уровень ошибок) и связность.

Квантовые компьютеры (КК) эффективнее всего решают вычислительные задачи в области оптимизации и моделирования. На их решение методом перебора у классического компьютера, даже самого мощного, уйдут годы, потому что он будет перебирать все варианты последовательно. КК же анализирует их одновременно.

В каких областях будут эффективны квантовые компьютеры?

• Фармацевтика и медицина: разработка персонализированных лекарств, адаптированных к диагнозу пациента; борьба с эпидемиями (прогноз распространения, создание вакцины); моделирование сложных молекул, биохимических процессов и многое другое.
• Логистика и транспорт. Новые алгоритмы найдут оптимальные варианты маршрутов для доставки грузов, составят расписание движения транспорта, распределят потоки машин и оптимизируют график работы светофоров в режиме реального времени, избавив мегаполисы от пробок.
• Безопасность. Квантовое распределение ключей уже сегодня делает передачу и хранение информации абсолютно безопасными. А "квантовый щит" изменит систему криптографии: она тоже станет квантовой.
• Новые материалы. Квантовые компьютеры смоделируют уникальные материалы с заданными свой­ствами.
• Бизнес и промышленность. Квантовые вычисления точно оценят кредитоспособность человека для банка, составят план выполнения заказов на производстве.
• Искусственный интеллект. Квантовые технологии ускорят машинное обучение ИИ, распознавание и анализ изображений, речи и текста.

Эксперты уверены: человечество только начинает осваивать возможности квантовых компьютеров, поэтому, скорее всего, области их применения значительно расширятся.

Какими бывают квантовые компьютеры?

• Универсальными. Эффективно решают любые задачи, требующие параллельных вычислений.
• Специализированными (симуляторы). Моделируют один конкретный тип процессов или объектов, то есть заточены под решение единственной специализированной задачи.

Также есть квантовые эмуляторы. Это классические компьютеры, воспроизводящие поведение квантового благодаря специальному ПО. Такой эмулятор не мощнее классического компьютера, но это отличный инструмент для обучения.

Квантовые объекты могут быть разными, поэтому и квантовые компьютеры реализуются на разных физических платформах. Самые распространенные:

• ионы;
• фотоны;
• нейтральные атомы;
• сверхпроводники.

У каждой платформы есть свои преимущества и недостатки; разные платформы подходят для решения разных задач.

Кто лидирует в мире квантов и каково место России в нем?

Первые российские КК появились в конце 2024 года. Россия вошла в число первых шести стран, имеющих КК с 50 и больше кубитов: это США, Китай, Россия, Франция, Япония, Канада. И только три страны: ​США, Китай и Россия — ​обладают работающими квантовыми вычислителями на всех четырех физических ­платформах.

Россия присоединилась к глобальной квантовой гонке всего пять лет назад, в 2020 году. Тогда разработки по квантовому направлению в стране находились в начальной стадии. Существовал только один прототип КК с двумя кубитами на сверхпроводниках.

Сегодня российский квантовый проект — ​один из самых эффективных в мире по соотношению финансовых затрат и достигнутых результатов. По объемам госфинансирования квантов Россия на 11 месте; в немецкую квантовую программу, стартовавшую в том же 2020‑м, было вложено в 10 раз больше средств. При этом результаты российской программы значительно выше, чем большинства зарубежных (в частности, той же Германии).

Какие разработки по квантам ведутся в нашей стране?

Созданы прототипы четырех квантовых вычислителей:

• 50‑кубитный на ионах иттербия. (Сегодня это самый мощный отечественный квантовый вычислитель. На нем ученые уже решают реальные задачи: например, выполнили алгоритм Гровера, рассчитали структуру нескольких молекул и провели симуляцию ряда динамических систем. Также этот КК использовался для машинного обучения: нейросеть обучили сортировать написанные от руки изображения цифр.)
• 50‑кубитный на атомах.
• 35‑кубитный на фотонах.
• 16‑кубитный на сверхпроводниках.

Развивается облачная платформа квантовых вычислений — ​будущий сервис по предоставлению доступа к разработанным квантовым вычислителям для решения задач с использованием квантовых алгоритмов.

Разработано 34 квантовых алгоритма, с применением которых на созданных квантовых вычислителях решаются тестовые и модельные задачи квантовых оптимизации, химии, моделирования, обработки больших данных и пр.

Одна из особенностей отечественного подхода — ​применение кудитов. Их главное преимущество перед кубитами — ​способность иона существовать сразу в четырех (а не в двух) состояниях, что открывает возможности для работы с бо́льшими массивами данных.

Недавно российские ученые поставили мировой рекорд в квантовых вычислениях: они реализовали самый большой в мире квантовый алгоритм на кудитах. Исследователи продемонстрировали обобщенный гейт Тоффоли (многокубитную логическую операцию) на 10 ионах. Результат зафиксирован в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Разработка существенно повышает точность квантовых вычислений при решении практических задач. В ходе эксперимента также было показано, что использование кудитов позволяет реализовывать многокубитные операции, недоступные на основе ранее известных подходов. Новый метод может применяться и на других физических платформах.

Есть ли реальные кейсы применения квантовых технологий в мире?

Да, есть, причем в самых разных областях, от финансового сектора до медицины и атомной промышленности.

Медицина. Моделирование новых лекарств.

• Гиганты фарминдустрии (Moderna, Roche, Johnson & Johnson, Sanofi, AstraZeneca, Boehringer Ingelheim) разрабатывают собственные квантовые платформы для предсказания потребности в лекарствах.
• Ученые канадского Университета Торонто разработали квантовую генеративную модель для поиска препаратов — ​ингибиторов онкогена K-Ras. В результате определены 15 перспективных молекул, две из них синтезированы и по эффективности превзошли все существующие препараты.
• Ученые российского квантового центра (РКЦ) создали квантовую модель, обученную на базе биологически активных соединений. С ее помощью уже предсказали более 4 тыс. новых потенциально синтезируемых лекарственных веществ.

Программное обеспечение для симуляции физических процессов. Квантовый компьютер эффективно решает системы линейных и нелинейных дифференциальных уравнений.

• Boeing, Airbus, Rolls-­Royce, BMW использовали квантовые алгоритмы для решения уравнений при расчете аэродинамических свой­ств летательных аппаратов и автомобильной техники.
• Американская Ansys (разрабатывает ПО для инженерного моделирования) применяет квантовые вычисления для оптимизации матриц элементов автомобиля. Квантовый алгоритм уже интегрирован в коммерческий инженерный пакет. С его помощью решаются задачи моделирования сердечных насосов и расчета вибраций автомобиля.
• Последние версии популярных математических пакетов Mathematica и Мatlab содержат библиотеки квантовых вычислений. Используя встроенный набор квантовых схем, можно строить различные алгоритмы квантовой оптимизации, сценарного моделирования и машинного обучения.

Инвестирование. Квантовые алгоритмы, анализируя большие наборы данных, определяют оптимальные инвестиционные стратегии.

• Испанская Multiverse Computing и американская Ally Financial сформировали инвестпортфели, воспроизводящие поведение биржевых индексов Nasdaq‑100 и S&P 500 с использованием минимально возможного набора активов. Исследователи сократили количество активов соответственно в 4 и 10 раз по сравнению с традиционным набором.
• Испанская финансовая группа CaixaBank, используя квантовое облако D-Wave, на 90 % сократила время решения задачи хеджирования и оптимизации инвестиционного портфеля. Общее время расчета составило всего несколько минут.

Как квантовые технологии используются в российском атомпроме?

В проекте «Прорыв» с помощью квантовых вычислений решили тестовую оптимизационную задачу: составили долгосрочный план производства и поставки ядерного топлива, обеспечив оптимальную загрузку производственных мощностей и распределение топлива между потребителями. Расчет занял несколько минут — ​это в разы быстрее, чем на обычных компьютерах.

Разработаны квантовые алгоритмы для решения ряда задач:

• оптимизации производства, хранения и поставки продукции;
• моделирования процессов теплопереноса/теплопередачи посредством решения системы линейных уравнений;
• оптимизации плана выполнения производственных заказов с учетом технологического маршрута;
• оптимизации цифровых двой­ников производственных объектов с использованием имитационного моделирования с квантово-­вдохновленным оптимизатором.

Каковы планы?

Общемировой тренд — ​переход от теории к практике, то есть повсеместное использование квантовых технологий в разных сферах.

Этот тренд зафиксирован в российской Дорожной карте по квантовым вычислениям на 2025−2030 годы. Ее цель — ​практическое применение квантовых технологий в различных отраслях промышленности, в первую очередь атомной. Совокупный объем финансирования — ​более 29 млрд руб.

Задачи к 2030 году:

• масштабировать квантовые регистры, повысить точность операций, миниатюризировать квантовые устройства;
• создать квантовый вычислитель объемом 300 кубитов, разработать и реализовать 54 новых квантовых алгоритма;
• развернуть облачную платформу для решения прикладных задач. Число пользователей, осуществляющих квантовые вычисления через отечественный сервис расчетов, должно составить не менее 10 тыс. человек;
• подготовить кадры: не менее 8300 бакалавров, 2600 магистрантов и 800 аспирантов;
• проверить не менее 100 научных гипотез по использованию квантовых вычислений для решения прикладных задач с формулированием конкретных требований к техническому решению;
• разработать не менее четырех прототипов квантовых сенсоров и не менее двух внедрить в опытную эксплуатацию на предприятиях ключевых отраслей экономики.