«Надо придумывать новые фундаментальные подходы»: физик МГУ — о развитии квантовых вычислений в России и мире

— Сергей Павлович, можем ли мы без глубокого погружения в математику и физику квантового мира понять принцип работы квантового компьютера?

— Без соответствующего уровня образования сделать это практически невозможно, некоторые вещи просто придётся принять на веру. Как и в компьютере классическом, в основу работы квантового компьютера заложена определённая мера информации. Только это уже не биты с фиксированными значениями 0 или 1, а образующие двухуровневые системы так называемые квантовые биты — кубиты, способные случайно и при внешних воздействиях переходить в одно из собственных состояний.

В обиходном квантовом мире кубитами также называют носители информации для квантовых компьютеров, что часто создаёт путаницу. Задача разработчиков таких компьютеров сделать двухуровневую систему, с помощью которой можно извлекать, записывать, передавать информацию из этих «кубиков».

— Какие бывают квантовые системы?

— Квантовых систем много, и построены они на разных физических принципах. В мире существует около десяти физических платформ, на которых возможно построение квантовых компьютеров. В Российской Федерации поддерживаются четыре из них: на основе сверхпроводящих систем, ионов в ловушке, нейтральных атомов в ловушке и фотонных чипов.

• Профессор, научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик
• © пресс-служба МГУ

— Как давно и насколько успешно развиваются квантовые вычисления в России?

— По каждой из перечисленных платформ у России есть определённый задел. Они на уровне «железа» уже экспериментально отрабатываются в наших ведущих учреждениях, академических институтах и университетах. Такая работа проводится в рамках масштабных проектов, крупнейшим в числе которых был первый российский квантовый проект «Гамак», открытый в 2014 году.

Его задачей в области квантовых вычислений являлась разработка платформ нейтральных атомов в ловушке и фотонных чипов. Другой крупный проект — «Лиман», где строилась платформа сверхпроводящих кубитов, шёл с 2016 по 2019 год. Фактически на смену ему пришёл проект «Прибой». Это передовой для России уровень. Все три проекта поддержал Фонд перспективных исследований. Были поставлены весьма амбициозные цели по созданию квантовых вычислительных устройств, в том числе и квантового компьютера в МГУ на 50 кубитах.

— Это много — 50 кубитов?

— Для России это очень много, но на мировом уровне есть отставание. Однако надо учесть, что мы начинали работать с одним-двумя кубитами.

• По мнению Сергея Кулика, базовые экспериментальные разработки квантового компьютера проводятся в ведущих научных учреждениях России на четырёх физических платформах
• РИА Новости
• © Руслан Кривобок

— Сейчас идёт обсуждение правительственной дорожной карты развития квантовых вычислений, создана Национальная квантовая лаборатория...

— Действительно, «Росатом» разработал такую дорожную карту, а на заседании президиума правительственной комиссии по цифровому развитию в 2020 году она была утверждена.

Кроме того, поддержаны (в том числе прошли и международную экспертизу) 11 проектов, из которых внимания заслуживают, по моему мнению, базовые экспериментальные разработки квантового компьютера на платформе сверхпроводников НИТУ «МИСиС» и на платформе ионов в ловушке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

К сожалению, в стороне остались, например, разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана. А это наш ведущий технологический центр, где есть необходимые люди и лаборатории.

Также по теме

«Возможности безграничны»: российский специалист по наносистемам — о квантовом компьютере и биосенсорах

Появление квантовых компьютеров позволит человечеству создать новые виды топлива и осуществить прорыв в медицине. Такого мнения...

Мы понимаем, что с помощью выделенных 24 млрд рублей и созданной Национальной квантовой лаборатории хотели создать определённый задел, который позволил бы выйти на мировой уровень. Создать систему, которая будет, как в инкубаторе, «выращивать» квантовый компьютер.

— Что такое интегральный показатель развития квантовых технологий и почему в России он составляет QTRL 4? Это много или мало?

— Всего таких показателей девять. Четвёртому соответствует уровень развития, при котором уже есть экспериментальная апробация, есть перспективы, но нет опытных образцов, нет никакой коммерциализации. Создаются многокубитовые системы и разрабатываются классические устройства для манипулирования кубитами, оба компонента технологии квантовых вычислений тестируются. Это высший показатель для фундаментального уровня развития технологий.

— А каких показателей уже достигли другие страны, крупные корпорации?

— Думаю, что это пятый, от силы шестой уровень, когда есть предпосылки масштабирования, прикладного применения, попытки коммерциализации. Создаётся среднемасштабный квантовый компьютер, который пока по параметрам не превосходит классический компьютер, но уже может отдельные методические задачи просчитывать.

• У каждой разработки квантового компьютера в настоящее время есть свои неразрешимые сложности, уверен эксперт
• © Origin Quantum

— В числе прочих задач в российском плане развития технологий квантовых вычислений указано достижение квантового превосходства... 

— Предполагается, что с квантовым превосходством задачи будут решаться гораздо быстрее, чем с помощью самых мощных классических компьютеров. Формально оно уже было достигнуто в 2019 году компанией Google. На основе сверхпроводящих цепей был построен квантовый компьютер для решения конкретной задачи — специального, но не очень полезного для широких применений алгоритма.

— Так когда же, по вашему мнению, будет создан «настоящий» универсальный квантовый компьютер, который превзойдёт компьютер классический по всем параметрам, а не только в решении абстрактных задач?

— Сейчас исследования в области квантовых вычислений идут на переднем крае фундаментальной науки. При этом технологии буксуют на каждом шагу. Это касается и разработок ведущих корпораций: Google, IBM, Microsoft. Эти IT-гиганты  вкладывают огромные деньги в свои платформы, но и у них движение происходит не так быстро, как хотелось бы. Масштабировать их системы становится всё сложнее, а это одна из ключевых проблем. Возможно, придётся возвращаться практически к самому началу, искать новые материалы.

Надо придумывать новые фундаментальные подходы. У каждой разработки физической платформы свои, пока неразрешимые сложности. Вот почему нельзя дать точный прогноз. Прорыв на фундаментальном уровне, преодоление фундаментального барьера может произойти через полгода, а может и через 20 лет.