Решающую роль в широком внедрении квантовых технологий должен сыграть квантовый интернет, считает физик Алексей Федоров.
Первой квантовой революцией называют период взрывного технологического роста, последовавшего за созданием квантовой физики. Результат — транзистор и лазерные технологии, позднее — пользовательские компьютеры и другие цифровые устройства. Считается, что сегодня мы стоим на пороге второй квантовой революции. Одна из ее ключевых задач — разработка универсального квантового компьютера, способного производить вычисления, недоступные для существующей техники.
Сложность заключается в том, что для этого необходимо создать систему, обладающую, на первый взгляд, несочетаемыми свойствами. С одной стороны, квантовый компьютер должен быть достаточно большим, чтобы обрабатывать огромные объемы данных. С другой, увеличение размера не должно приводить к потере квантовых свойств. Для этого нужно сохранять высокий уровень контроля над квантовой системой.
Решением, по мнению ученых, может стать создание устройств на основе концепции квантового интернета. Такой подход позволяет нарастить мощность квантовых компьютеров за счет соединения в квантовые сети — без снижения уровня контроля в каждом из них.
В рамках программы Минобрнауки «Приоритет 2030» в Университете МИСИС с 2021 года реализуют проект «Квантовый интернет». Мы встретились с директором Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководителем лаборатории «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра (РКЦ) Алексеем Федоровым и задали ему несколько вопросов.
— Квантовый компьютер необходим для решения задач в области криптографии, квантовой химии, оптимизации финансового моделирования, обучения искусственного интеллекта, с которыми привычные для нас классические компьютеры и даже суперкомпьютеры не справляются. С помощью квантовых алгоритмов можно рассчитывать параметры сложных молекул, лекарств, новейших материалов — например, для авиастроения.
Если для решения начальных задач достаточно сотен и тысяч кубитов, то для демонстрации значительного преимущества квантовых устройств нужны сотни тысяч, миллионы. Также требуется высокая точность квантовых операций. Поэтому основная проблема — масштабировать квантовые вычисления, не потеряв качество контроля над кубитами. Один из вариантов — объединить квантовые процессоры промежуточного масштаба в сеть.
— Какие преимущества дает квантовый интернет?
— Он позволяет нарастить мощность не только за счет увеличения количества кубитов в каждом отдельном процессоре, но и благодаря их связи между собой. При такой конфигурации процессор будет состоять из нескольких «квантовых хабов», связанных квантовыми коммуникациями, основанными на передаче квантовых состояний. Дело в том, что при соединении в сеть мощности классических компьютеров складываются, а квантовых — перемножаются. Это дает колоссальный ресурс для решения вычислительных задач.
— Квантовым интернетом уже можно пользоваться?
— Пока нет. В 2021-м было несколько ярких экспериментов, продемонстрировавших базовые принципы его работы в том числе для модульных сверхпроводниковых устройств. Дальнейший прогресс в этой области чрезвычайно важен. Поэтому в программу развития НИТУ МИСИС на 2021-2030 годы вошел стратегический проект «Квантовый интернет».
Он связывает два главных вектора развития квантовых технологий — квантовые вычисления и квантовые коммуникации. Университет успешно работает в этих направлениях. В лаборатории «Сверхпроводниковые квантовые технологии», ставшей ядром нашего Института физики и квантовой инженерии, создают квантовые устройства на основе сверхпроводниковых кубитов и реализуют микроволновой канал передачи квантовой информации между ними, а Центр НТИ «Квантовые коммуникации» отвечает за технологии квантовой передачи данных и систем их защиты.
— Не только. Накопленный опыт классических телекоммуникаций не всегда можно напрямую использовать в квантовых сетях, а потому необходимы отдельные исследования. Нужны новые алгоритмы квантового софта, особые протоколы для связи квантовых компьютеров, новые архитектуры квантовых вычислительных устройств. Еще предстоит изучить динамику сложных квантовых систем и передачу информации в них. В рамках проекта «Квантовый интернет» мы не только работаем непосредственно над реализацией канала передачи квантовой информации от одного кубита в другой, но и создаем новые протоколы генерации запутанных состояний, а также алгоритмы для решения прототипов прикладных задач из области химии и оптимизации.
— На чем основан принцип работы существующих квантовых процессоров?
— Есть несколько способов их создания. Один — использование сверхпроводниковых джозефсоновских контактов и микроскопических сверхпроводящих структур. Такой подход выбрали многие индустриальные лидеры, такие как Google, IBM и Alibaba. Ключевое преимущество сверхпроводникового варианта развития квантовых устройств — их технологичность. Эти устройства создают при помощи хорошо разработанной технологии литографии. Они сочетают высокую скорость и качество квантовых операций. Но есть и сложности — например, требование к высокой степени идентичности сверхпроводниковых кубитов.
Помимо сверхпроводниковых квантовых процессоров, развиваются и другие платформы — нейтральные атомы, ионы, оптические кубиты. Мы активно сотрудничаем с научными группами, работающими в этих направлениях. Однако каждая из упомянутых платформ сталкивается с проблемой сохранения качества контроля при увеличении количества кубитов. Уже продемонстрированы 16-кубитные процессоры на ионах и нейтральных атомах в России. По всей видимости, количество контролируемых кубитов-ионов в ловушке и нейтральных атомов можно увеличить до 50-100. Научные группы в мире проводили эксперименты с 256-атомными кубитами, однако качество операций в этом случае значительно ниже, чем в варианте с ионами. Недавно анонсированные сверхпроводниковые процессоры IBM имеют 127 и 433 кубита, но в первом случае качество операций не позволяет решать задачи быстрее классического компьютера, а детальные параметры 433-кубитного процессора пока неизвестны.
— Есть несколько подходов. Например, создание новых типов кубитов. Большинство процессоров в мире используют так называемую архитектуру трансмона (сверхпроводящего зарядового кубита. — Прим. ред.). Наши коллеги в РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий МИСИС вместе с коллегами из МФТИ, ВНИИА им. Н. Л. Духова и МГТУ им. Н. Э. Баумана работают и с новым многообещающим кубитом с высоким качеством квантовых операций — флаксониумов.
Мы также исследуем возможность использования кудитов — многоуровневых квантовых систем, которые позволяют кодировать информацию «более плотно». Такой подход помогает эффективнее реализовывать квантовые алгоритмы. Трехуровневые кудиты, так называемые кутриты, мы уже попробовали применять для анализа таких физических явлений, как фазовые переходы.
— Какое направление квантовых технологий, по-вашему, получит в ближайшее время наибольшее развитие?
— Можно предположить, что в рамках развития существующих платформ мы скоро увидим пределы для масштабирования. Пока непонятно, носят ли эти пределы фундаментальный характер и насколько можно продвинуться дальше, но очевидно, что нужны новые идеи. Одна из них — создание сетей взаимосвязанных квантовых процессоров. Такой подход является перспективным для всех физических платформ квантовых вычислений, поэтому, полагаю, нас ждут яркие научные и практические результаты в этом направлении.
В России приняты две дорожные карты — по квантовым вычислениям и квантовым коммуникациям, которые курируют «Росатом» и РЖД соответственно. Мы активно участвуем в реализации обеих. Обозначенная цель дорожной карты по квантовым вычислениям — масштабирование квантовых процессоров за счет увеличения количества кубитов и качества квантовых операций. Одним из инструментов для ее достижения может стать квантовый интернет.
