Квантовые симуляторы – шаг к "квантовому будущему"

К концу 20 века в науке сформировалось понимание того, что решение ряда задач с помощью обычных, классических компьютеров невозможно или, по крайней мере, требует огромного количества времени. К таким задачам относятся, например, моделирование физических процессов в сложных квантовых системах, криптоанализ, машинное обучение, обработка данных. Математически доказано, что есть вычислительно сложные задачи, с которыми квантовые компьютеры будут справляться, в то время как даже самые мощные из потенциально возможных суперкомпьютеров решить их за обозримое время не смогут. Это явление получило название "квантового превосходства", и, как мы помним, в конце 2019 года компания Google объявила о том, что ей удалось этого превосходства достичь, хотя и не без оговорок.

Но даже если принять достижение квантового превосходства как данность, все же говорить о том, что "квантовое будущее" уже наступило, преждевременно. Сложные задачи, представляющие практический интерес, квантовым компьютерам пока не под силу – их вычислительной мощности на сегодняшний день недостаточно, а ее увеличение оказывается не такой простой задачей.

Дело в том, что квантовые системы – одиночные атомы, фотоны или искусственные микроструктуры – объекты очень деликатные, и чтобы использовать их для обработки информации, необходимо как можно лучше изолировать их от окружающей среды, взаимодействие с которой приводит к разрушению квантового состояния (декогеренции). В то же время, этими состояниями надо уметь хорошо управлять, поэтому разработчики квантовых компьютеров вынуждены решать очень сложную задачу – создавать большую квантовую систему, в которой будут только нужные для алгоритма взаимодействия, а все остальные будут сведены к минимуму. На практике это сделать крайне сложно, и в современных системах достаточно часто возникают ошибки. Такие ошибки, в принципе, можно исправлять, как это делается, например, в системах цифровой связи, но это требует использования избыточного кодирования, и размер квантовой системы, нужной для реализации алгоритма, многократно возрастает. Для современной технологии полноценная коррекция ошибок – всё ещё непосильная задача. Так что универсальные квантовые компьютеры, удовлетворяющие ожиданиям ученых и в реальности способные радикальным образом изменить мир, по крайней мере в некоторых его областях, - задача будущего. Впрочем, может быть, уже не такого отдаленного – над созданием квантовых компьютеров активно работают такие технологические гиганты как уже упомянутая Google, IBM, Intel, Microsoft.

Другое направление в области квантовых вычислений, благодаря которому уже сегодня ученые могут детально изучать квантовые системы и решать некоторые прикладные задачи - это квантовые симуляторы.

Квантовый симулятор – это вариант квантового вычислителя, в котором управляемые квантовые объекты имитируют и эффективно предсказывают поведение реальных квантовых систем. Например, система из одиночных холодных атомов в оптической решётке, создаваемой лазерными лучами, может моделировать процессы, происходящие в сложных твердотельных системах, таких как высокотемпературные сверхпроводники.

Преимуществом симулятора является то, что экспериментатор полностью контролирует систему, может настраивать взаимодействие между отдельными атомами, а также имеет доступ к каждому из атомов в решётке в отдельности, что немыслимо в случае обычной кристаллической решётки.

Квантовый симулятор, в отличие от "настоящего" квантового компьютера, является по сути аналоговой вычислительной машиной. Здесь можно провести некоторую аналогию с исследованием, например, аэродинамики самолёта с помощью обдувания его модели в аэротрубе с контролируемыми параметрами течения.

Традиционные квантовые симуляторы – узконаправленные вычислители, с помощью которых можно решать не любые задачи, как на универсальном компьютере, а лишь задачи определенного типа. Например, с помощью квантовых симуляторов уже сейчас можно рассчитать свойства простых материалов или исследовать свойства атомного ядра.

Использование симуляторов также позволяет в управляемом режиме разработать более эффективные алгоритмы для компенсации ошибок, неизбежных в квантовой системе, увеличить время жизни кубитов (логических единиц информации в квантовых компьютерах), отработать настройки квантовой системы и т.д. В этом смысле симуляторы - предшественники универсальных квантовых компьютеров.

Дальнейшее развитие симуляторов, которое, полагаем, продолжится и после того, как появятся работающие квантовые компьютеры, даст колоссальные возможности для новых исследовательских проектов. Тем более что сейчас активно развивается направление программируемых квантовых симуляторов, допускающих изменение параметров в процессе функционирования. Это расширяет класс задач, которые можно решить с помощью таких систем, и, соответственно, делает их более универсальными.

Сейчас для реализации квантовых компьютеров и симуляторов используют разные платформы. Это могут быть как естественные квантовые объекты, такие, как одиночные атомы, молекулы, фотоны, так и искусственные системы, например, специально разработанные сверхпроводящие структуры. Каждая из упомянутых систем обладает рядом преимуществ и недостатков. Доминирующая технология для создания платформ квантовых компьютеров и симуляторов не определена, развитие идет сразу во всех направлениях.

Мы в Центре квантовых технологий, созданном на физическом факультете МГУ в рамках Национальной Технологической Инициативы, разрабатываем две платформы: на основе одиночных холодных атомов в оптической ловушке и на базе одиночных фотонов в линейно-оптических сетях. Первая платформа привлекает ученых своей относительной устойчивостью к шумам и внешним воздействиям, а вторая - широкими возможностями в области масштабирования системы и принципиальной устойчивостью к ошибкам. Цель, которая стоит перед нами – до конца 2021 года создать 50-кубитный симулятор на базе двух платформ, которые могут работать как параллельно, так и по отдельности. К данным системам будет организован доступ через интернет и квантовые вычисления можно будет получить как услугу, из "облака". Это, кстати, магистральный путь для коммерциализации квантовых технологий во всем мире.

Симуляторы, над которыми мы работаем, позволят решать такие прикладные задачи как быстрый поиск в неструктурированных базах данных, ускорение поиска глобального оптимума при анализе рынка, ускоренное проектирования структуры новых материалов. Например, уже система из нескольких кубитов может быть использована для моделирования свойств простейших молекул. Система из нескольких десятков хорошо контролируемых кубитов сможет подступиться к химическим задачам, которые будут уже на грани возможностей классических методов, например, поиску эффективных катализаторов. Можно экспериментировать и с оптимизационными задачами, например, одним из возможных приложений среднемасштабных квантовых компьютеров может стать определение пространственной структуры молекул сложных белков.

На развитие этого проекта выделены два гранта – от РВК в рамках программы Центра компетенций НТИ и от Фонда перспективных исследований.

Со стороны Центра квантовых технологий над проектом работают более 20 человек. Сектор квантовых вычислений, который занимается этим проектом, включает четыре лаборатории – квантовой оптики, вычислений на холодных атомах, линейно-оптических вычислений и небольшой теоретический отдел. Каждая лаборатория отвечает за свой участок работы, но, естественно, большое количество задач требует совместной деятельности.

Помимо сотрудников Центра квантовых технологий, активное участие в работе над проектом принимают наши коллеги из университетов и научно-исследовательских институтов, входящих в консорциум ЦКТ. Дело в том, что это крайне масштабный проект, который требует как больших финансовых затрат, так и большой экспериментальной, исследовательской, научной работы, и одной организации справится с такой задачей не под силу. Например, разработкой интегральной оптики для фотонного компьютера занимаются учёные из МГТУ им. Н.Э.Баумана и ВНИИА им. Духова, а в атомном проекте активное участие принимает группа учёных из Новосибирского ИФП СО РАН.

Надо отметить, что заложенные в проекте параметры квантового вычислительного регистра – хоть и не рекордные в мире, но вполне на уровне тех результатов, которые демонстрируют лучшие исследовательские группы в других странах.

Самый сложный из существующих квантовых симуляторов насчитывает 53 кубита. Этот симулятор в 2017 году был создан учеными из университета штата Мэриленд (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST). В качестве платформы для него были использованы холодные ионы иттербия. Для понимания масштаба: 53 кубита могут быть использованы для имитации более квадриллиона различных магнитных конфигураций кубитов.

Немногим ранее группа ученых из Гарвардского университета и MIT создали 51-кубитный квантовый симулятор на базе атомов рубидия.

Не уступают по масштабам и цифровые системы – квантовые процессоры компании Google имеют более 50 кубитов, процессоры из десятков кубитов разработаны и их конкурентами из IBM, Rigetti и других компаний.

В России ведется ряд проектов, развивающих технологии квантовых вычислений. Кроме упомянутого проекта нашего Центра, уже несколько лет ведётся разработка сверхпроводящего процессора, над которым работают учёные из обширного консорциума, куда входят МИСиС, ИФТТ РАН, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ВНИИА им. Духова, РКЦ и другие организации. В 2020 году должен стартовать масштабный проект по созданию отечественных квантовых вычислительных устройств на базе ГК Росатом, призванный объединить усилия различных исследовательских групп для решения этой поистине амбициозной задачи.

СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "IT"