Кот Шредингера в железе технологии

С этого года в России действует государственная программа «Цифровая экономика», она разветвляется на множество направлений — от инноваций в ЖКХ до защиты от внешних информационных угроз. За пять лет нужно сократить наше отставание от стран, лидирующих в цифровых технологиях. Одна из составляющих программы так и называется — «Цифровые технологии», за эту часть отвечает «Росатом».

01 октября 2019

Госкорпорация провела конкурсы дорожных карт и определила, кто будет развивать те или иные технологии. Например, искусственным интеллектом займется Сбербанк, большими данными — Национальный центр информатизации, виртуальной реальностью — Дальневосточный федеральный университет, квантовыми сенсорами — «Ростех», квантовыми коммуникациями — РЖД. Квантовые вычисления «Росатом» взял на себя.

«Конечно, квантовые технологии в России развивались и развиваются и без дорожной карты, — говорит Руслан Юнусов, руководитель Российского квантового центра, участвовавшего в создании дорожной карты. — Фактически ее роль — выбрать приоритеты, задать направление и определить финансирование. Мы в квантовых технологиях точно отстаем от мира и по инвестициям, и по результатам. Цель — по некоторым направлениям, например по квантовым коммуникациям, выйти на передовые позиции, потому что у нас хороший задел. А в направлении квантового компьютера — сократить отставание от лидеров. В ближайшие пять лет мы, скорее всего, с ними не поравняемся, но приблизиться сможем».

До 2024 года в отечественные квантовые технологии предлагается вложить около 50 млрд рублей. Для сравнения: США выделили на развитие квантовых технологий 20 млрд долларов. Бюджет европейского проекта Quantum Flagship — 3 млрд евро. В Китае к 2020 году построят Национальную квантовую лабораторию, на нее выделено 12 млрд долларов. Вкладывает деньги не только государство, но и бизнес — 147 млн долларов за 2015–2018 годы, по данным центра стратегических разработок «Северо-Запад». Так, Volkswagen подписал соглашение с Google — компании будут использовать квантовые компьютеры и искусственный интеллект для создания более эффективных аккумуляторных батарей электромобилей. Почему весь мир помешался на квантах и стоят ли они таких вложений?

Российский квант

Развитие квантовых вычислительных технологий в России началось в 2013 году, тогда был измерен первый кубит (кольцо из сверхпроводника с одним или несколькими джозефсоновскими переходами), созданный, однако, не у нас, а в Германии. Отечественный кубит был изготовлен в 2015 году в МФТИ. Затем, в июле 2016 года, стартовал проект Фонда перспективных исследований по технологии изготовления таких кубитов, обработке информации и управлению ими. За работу взялась кооперация из нескольких научных учреждений: ВНИИА им. Духова, МГТУ им. Баумана, МФТИ, МИСиСа, Новосибирского ГТУ, ИФТТ РАН и Российского квантового центра.

«Мы не просто выполнили все задачи, мы их перевыполнили. Планировалось, что время жизни нашего кубита будет несколько микросекунд, но сейчас он у нас уже десятки микросекунд живет», — отмечает научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш.

Вся технологическая цепочка — моделирование, создание структур, их исследование — будет сосредоточена на двух площадках: в теоретической лаборатории физики микрои наноструктур и в совместном с МГТУ им. Баумана технологическом центре наноструктур. Скоро появится лаборатория сверхпроводящих квантовых технологий. Там займутся не только исследованием сверхпроводящих квантовых систем, но и новым направлением — нейроморфными системами, имитирующими работу человеческого мозга.

Кот, бит и суперпозиция

Основное отличие квантового компьютера от обычного — в представлении информации. В компьютерах на транзисторах и кремниевых чипах используется бинарный код. Единица информации — бит. Он имеет два базовых состояния, ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. У квантового компьютера — квантовые биты, кубиты. У кубита те же два основных состояния, но он может принимать значения, полученные путем комбинирования ноля и единицы, и находиться во всех этих состояниях одновременно. Это явление называется суперпозицией.

Обратимся к знаменитому мысленному эксперименту Шредингера, иллюстрирующему природу квантовой физики. Кота помещают в ящик с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и кот погибнет. Если нет — кот останется жив. Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50 % и не распался с вероятностью 50 %. До того как мы откроем ящик и заглянем туда, он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния атома, выходит, что кот жив и мертв одновременно. Так же как бедолага кот, кубит может находиться одновременно в двух состояниях — быть и нолем, и единицей. По сути, квантовый компьютер — это много котов Шредингера в железе.

Законами физики не запрещено

«Квантовые технологии будут решать задачи, которые сейчас решить невозможно. Вероятно, актуальность этих задач пока не понятна широкой общественности. Но вспомните, 70 лет назад люди вполне обходились без компьютеров — теперь представить жизнь без компьютера сложно. Точно так же по мере развития квантовых технологий, когда они начнут решать все больше полезных задач и для экономики, и для нашей жизни, сам вопрос, надо их развивать или не надо, отпадет», — говорит Руслан Юнусов.

Возьмем компьютерное моделирование. В 2014 году расчеты показали, что если молекулу сероводорода охладить до 80 К (–193,15 °C) и поместить под давление, она становится сверхпроводником. Газ не просто превращается в металл, в нем пропадает электрическое сопротивление. В 2015 году сверхпроводимость сероводорода была обнаружена экспериментально, но при более высокой температуре — 202 К (–71,15 °C). Компьютер справился не на 100 %, хотя молекула очень простая: атом серы и два атома водорода. На расчет свойств более сложных структур ушли бы годы. У квантового компьютера многократно увеличена скорость и точность. Ученые перенесут опыты в модели, оставив минимум экспериментальной работы. Это грандиозное сокращение расхода ресурсов — денег, времени и сил.

«Есть надежда, что квантовый компьютер поможет найти материалы, которые дадут сверхпроводимость при комнатной температуре, — добавляет Юнусов. — Это законами физики не запрещено, но поиски пока ничего не дают. Если при комнатной температуре у нас будет сверхпроводимость, мы будем передавать энергию без потерь — десятки миллионов долларов экономии».

Квантовые вычисления — это и миллионная экономия, и миллионный риск. Большая часть криптографических алгоритмов, которыми мы пользуемся, к примеру, совершая транзакции в интернете, основана на односторонних функциях — когда в одну сторону уравнение вычислить легко, а в другую сложно. Например, факторизация — разложение числа на простые множители: 525 = 5×5×3×7. Перемножить числа справа не проблема даже для ребенка. А вот разложить 525 уже тяжело. Шифрование основано на том, что не существует компьютеров, способных разложить большие числа. Ситуация кардинально изменится, если к дешифровке подключится квантовая система. Факторизация числа из 1024 бит (309 десятичных знаков) у обычного компьютера займет время, равное продолжительности жизни Вселенной, почти 14 млрд лет. Эксперты утверждают, что квантовый компьютер справится за 10 часов.

Решение кроется там же, где и причина проблемы: на смену математической криптографии приходит квантовая. Ключ к шифру генерируется и передается с помощью фотонов, приведенных в определенное квантовое состояние. Перехватить передачу, оставшись незамеченным, невозможно: попытка «подсмотреть» внесет в данные ошибки, которые очень легко заметить и измерить. Если ошибок много — информацию могли пытаться узнать посторонние. Тогда ключ просто выбрасывают и подбирают новый. Для безопасного контакта должно быть два устройства: лазер, источник фотонов, с одной стороны, и детектор, считыватель фотонов, — с другой. Они соединены оптоволоконным кабелем.

Возможно, как сказал Руслан Юнусов, широкая общественность и далека от поиска высокотемпературных сверхпроводников и проблем криптографии, но спутниковые системы навигации интересуют миллионы автолюбителей. GPS-модули в мобильных телефонах определяют положение с точностью 10–15 м (бывает меньше, бывает больше). На эстакаде или нижней дороге транспортной развязки навигатор путается и не понимает, где находится. Водитель худо-бедно разберется, но в беспилотном транспорте от четкой навигации зависит безопасность всех участников движения. Квантовые технологии позволят создать систему навигации, точность которой — несколько сантиметров.

Однако, несмотря на огромные возможности, которые открывает перед нами квантовый компьютер, он вряд ли полностью заменит обычный. Эксперты прогнозируют технологический симбиоз: классический компьютер выполняет основную работу и обращается за помощью к квантовому для сложных вычислений.

Поиграть с квантовым компьютером можно уже сейчас: компания IBM открыла облачный доступ к своим 5- и 14-кубитным компьютерам. Нужно зарегистрироваться на сайте quantum-computing.ibm.com, и после подтверждения доступа вы попадете на квантовую вычислительную платформу. Взламывать шифры транзакций на ней не выйдет, а вот исследовать простую химическую молекулу — запросто.

Начать обсуждение


UP-PRO в сетях