Квантовый компьютер пока нельзя поставить на стол рядом с ноутбуком. Он занимает лабораторное помещение, состоит из оптических столов, лазеров, электроники и систем, которые удерживают отдельные атомы или ионы в строго контролируемом состоянии. Но именно такие установки могут стать основой вычислений, с которыми классическим машинам будет трудно соперничать: при моделировании молекул, разработке новых материалов, решении отдельных сложных оптимизационных задач и обработке специальных классов данных.
О прошлом, настоящем и будущем квантовых компьютеров на круглом столе, прошедшем на XIII Международном форуме технологического развития «Технопром-2026», рассказал кандидат физико-математических наук Александр Борисенко — ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра и научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института имени П. Н. Лебедева РАН. Последние пять лет он занимается квантовыми вычислениями, в том числе системами на ионах иттербия, и входит в число создателей 50-кубитного квантового компьютера — самой мощной российской системы такого типа на момент ее представления.
Главная мысль выступления звучала одновременно оптимистично и осторожно: квантовый компьютер уже работает, но до массового практического применения технологии еще предстоит решить целый ряд инженерных и научных задач. Речь не о том, что квантовые машины вытеснят привычные компьютеры. Скорее, они станут специализированными ускорителями, которые будут подключаться к классической инфраструктуре и выполнять ту часть расчетов, где квантовые законы дают преимущество.
Чтобы объяснить устройство квантового компьютера, Борисенко предложил начать с кубита — базовой единицы квантовой информации. В классическом компьютере такой единицей служит бит: он принимает одно из двух значений, ноль или единицу. Кубит тоже имеет два основных состояния, но до измерения может находиться в их комбинации.
«Кубит — это в принципе любая квантовая система, у которой есть два уровня, два состояния, и ее можно переключать между этими двумя состояниями», — пояснил ученый.
Самая наглядная аналогия — монета. Лежащая на столе монета показывает орел или решку. Но пока ее подбросили и она вращается в воздухе, результат еще не определен. В реальной квантовой системе эта неопределенность не является просто отсутствием информации для наблюдателя. Кубит действительно может находиться в суперпозиции состояний, то есть одновременно иметь определенную вероятность быть нулем и единицей.
Когда состояние измеряют, суперпозиция исчезает: система дает один конкретный результат. В физике это называют коллапсом волновой функции. На языке аналогии монета как будто мгновенно перестает вращаться и показывает одну сторону.
Однако суперпозиции недостаточно для вычислений. Второе важное свойство — квантовая запутанность. Это состояние, при котором несколько кубитов описываются как единая квантовая система: измерение одного связано с результатами измерения другого. Здесь важно не представлять себе передачу сигналов быстрее света. Речь идет о заранее подготовленной общей квантовой связи, которую можно использовать в алгоритмах.
«В квантовых вычислениях используется комбинация однокубитных операций, позволяющих создавать суперпозиционное состояние, и двухкубитных операций, когда мы умеем запутывать состояния разных монеток», — отметил Борисенко.
Именно сочетание суперпозиции, запутанности и интерференции позволяет строить квантовые алгоритмы. Интерференция — это способность квантовых амплитуд усиливать нужные варианты решения и подавлять ненужные. Поэтому квантовый компьютер не просто «перебирает все ответы сразу» — такая популярная формула слишком упрощает его работу. Правильно составленный алгоритм управляет вероятностями так, чтобы при измерении с высокой вероятностью появился нужный результат.
«Если мы в квантовой системе увеличиваем регистр на один кубит, то идет экспоненциальное увеличение мощности вычислителя. Именно поэтому все ученые борются за количество кубитов», — сказал Борисенко.
Но число кубитов само по себе не превращает установку в полезный компьютер. Каждый кубит чрезвычайно чувствителен к окружению. На него влияют электромагнитные помехи, колебания температуры, несовершенство лазерных импульсов, внешние поля и другие источники шума. Если ошибка появляется в середине алгоритма, она может испортить итоговый результат.
Поэтому разработчики оценивают не только размер квантового регистра, но и качество операций. Важны достоверность подготовки состояния, точность однокубитных и двухкубитных операций, время сохранения квантового состояния, скорость измерений и способность системы выполнять достаточно длинные алгоритмы без накопления ошибок. Все это объединяют в понятие квантового объема — условной характеристики практической вычислительной мощности машины.
Российская система, созданная совместной группой ФИАН и Российского квантового центра, использует ионы иттербия-171. В ней нет процессора в привычном смысле — с кремниевым кристаллом, транзисторами и проводниками. Квантовый регистр представляет собой цепочку заряженных атомов, удерживаемых электромагнитным полем в ловушке Пауля.
Ионы выстраиваются в одну линию, а ученые управляют ими лазерными импульсами. Лазеры охлаждают частицы, уменьшая тепловой шум; переводят кубиты из одного состояния в другое; создают запутанность между ними; а затем позволяют считать итог алгоритма. Установка расположена в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН и занимает специальный оптический стол размером примерно 1,5 на 3,5 метра.
«Мы захватываем несколько ионов иттербия в ловушку Пауля, они выстраиваются в цепочку, и лазерными импульсами мы можем воздействовать на всю цепочку целиком или на отдельные частицы независимо», — рассказал Борисенко.
Особенность машины состоит в более плотном кодировании информации. Обычно один ион используют для представления одного кубита — двухуровневой системы. В российской установке задействуют четыре уровня каждого иона, что эквивалентно двум кубитам. Поэтому 25 ионов позволяют кодировать 50 кубитов. Российский 50-кубитный ионный компьютер был создан в 2024 году в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления», которую координирует госкорпорация «Росатом».
При этом качество операций пока остается ключевым вызовом. По данным Борисенко, достоверность однокубитных операций в системе составляет около 0,999, или 99,9%, а двухкубитных — примерно 0,95, или 95%. На первый взгляд это очень высокие показатели. Но сложный квантовый алгоритм включает множество шагов, и даже небольшая вероятность ошибки на каждом из них может быстро накопиться.
Система создавалась около пяти лет и продолжает дорабатываться. Ее ценность не только в рекордном для страны числе кубитов, но и в том, что она дает российским исследователям собственную экспериментальную платформу. На ней можно тестировать алгоритмы, проверять инженерные решения и получать результаты, которые невозможно заменить моделированием на обычном компьютере.
По словам ученого, работа в этом направлении – своего рода гонка без финишной черты. Квантовые вычисления развиваются уже несколько десятилетий. Первые базовые операции с несколькими кубитами ученые демонстрировали еще до 2000 года, а последние 20 лет технология развивается особенно быстро. В этой гонке сильные позиции сохраняют США и Китай; крупные проекты развиваются также в Европе. Россия начала активную работу позже, но создала собственные команды по нескольким мировым технологическим платформам.
Сегодня в стране развиваются четыре основных направления: квантовые компьютеры на ионах, нейтральных атомах, фотонах и сверхпроводниковых цепочках. Каждая платформа имеет свои преимущества и ограничения. Ионы позволяют получать качественные операции и хорошо контролируемые состояния, но их масштабирование требует сложной оптики и точного управления. Сверхпроводниковые схемы легче интегрировать с микроэлектроникой, но они нуждаются в глубоком охлаждении. Нейтральные атомы удобны для создания больших массивов, а фотонные системы интересны для связи и отдельных вычислительных задач.
В России развитие отрасли поддерживается дорожной картой «Квантовые вычисления». В 2020–2024 годах ее общий объем финансирования составил 24 млрд рублей; половину средств, 12 млрд рублей, вложила госкорпорация «Росатом». В рамках проекта были созданы российский 50-кубитный ионный квантовый компьютер ФИАН и РКЦ, а также прототип 50-кубитного вычислителя на нейтральных атомах рубидия, разработанный МГУ и РКЦ.
В квантовой индустрии различают несколько уровней успеха. Первый — показать, что квантовая машина может быстрее классической выполнить специально подобранную, часто не имеющую прикладного смысла задачу. Это называют квантовым превосходством. Следующий уровень — полезное квантовое преимущество: ситуация, при которой квантовый компьютер решает реальную практическую задачу быстрее или лучше, чем классические методы.
Второй рубеж пока не пройден окончательно. Квантовые процессоры уже демонстрируют интересные результаты, но еще не стали универсальным инструментом для химиков, логистов, фармацевтических компаний или финансовых аналитиков. Для этого нужны более крупные и, главное, более надежные системы.
«Главное достижение последних лет состоит в том, что были показаны логические кубиты на сверхпроводниках, ионах и нейтральных атомах. Это такой идеальный кубит, защищенный с помощью алгоритмов коррекции от внешних воздействий», — подчеркнул Борисенко.
Он считает, что в ближайшие пять–десять лет квантовые компьютеры будут развиваться прежде всего как облачные системы. Пользователь не будет покупать домашний квантовый процессор. Вместо этого он отправит вычислительную задачу в дата-центр, где программная система разделит ее на части: одни будут выполняться на обычных серверах, другие — на квантовом оборудовании.
Такой гибридный подход выглядит наиболее реалистичным, потому что классические и квантовые компьютеры сильны в разных вещах. Обычные машины прекрасно справляются с большинством повседневных задач: работой с текстами, графикой, базами данных, коммуникациями и многочисленными вычислениями, для которых уже существуют эффективные алгоритмы. Квантовые устройства могут стать полезны там, где требуется моделировать квантовую природу вещества или искать решения в особенно сложных пространствах вариантов.
В России уже существует облачная инфраструктура, через которую научные группы могут подключаться к нескольким квантовым компьютерам и запускать свои эксперименты. Однако пока доступ ограничен временем работы исследовательских установок: одни системы необходимо постоянно настраивать и модернизировать, а свободные вычислительные слоты распределяются между пользователями. Для круглосуточной работы потребуется больше стабильных машин, часть которых будет развиваться в лабораториях, а часть — использоваться как вычислительные сервисы.
Сергей Исаев
Изображение создано нейросетью
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии