Взгляд в будущее: квантовый интернет

С момента демонстрации работы первого в России двухкубитного квантового процессора – устройства, использующего явления квантовой физики для решения вычислительных задач, – в рамках проекта «Лиман» прошло почти четыре года. Проект «Лиман» стал уникальной кооперацией, в которую входили, с одной стороны, Министерство образования и науки, Фонд перспективных исследований, ГК «Росатом» и, с другой стороны, ведущие университеты и научные центры в области квантовых технологий. Результаты работы проекта сыграли важнейшую роль для формирования отрасли квантовых вычислений в России по нескольким причинам.

Во-первых, стало понятно, что в России набрана критическая масса компетенций в области создания сверхпроводниковых квантовых процессоров. Квантовый процессор – устройство для реализации вычислений на основе управления отдельными квантовым системами. На сегодня существует несколько способов реализации квантовых процессоров, одним из которых является использование сверхпроводниковых контактов – микроскопических сверхпроводящих структур. Такой подход был выбран многими индустриальными лидерами по всему миру, например, компанией Google, IBM и Alibaba. К ключевым преимуществам сверхпроводникового вектора развития квантовых вычислений стоит отнести их технологичность, так как структуры создаются при помощи хорошо разработанной технологии литографии, и сочетание высокой скорости и качества квантовых операций. Безусловно, есть и свои вызовы, например, совершенствование технологии разработки идентичных кубитов (так как любые дефекты приводят к дополнительным ошибкам).

Во-вторых, сеть взаимодействующих организаций, в которую входили НИТУ МИСИС, ВНИИИ им. Духова, МФТИ, НГТУ и Российский квантовый центр, в рамках проекта «Лиман» наладила разработку и тестирование сверхпроводниковых квантовых чипов, а также впервые в России провела работу по демонстрации алгоритма Гровера – квантового алгоритма для поиска в неупорядоченной базе данных.

В 2019 году была разработана Дорожная карта развития квантовых технологий, направленная на масштабирование квантовых процессоров: увеличение количества кубитов и качества квантовых операций. С 2020 года началась реализация Дорожной карты по квантовым вычислениям, за реализацию которой отвечает ГК «Росатом». Помимо сверхпроводниковых квантовых процессоров развиваются и другие платформы для квантовых вычислений, например, нейтральные атомы, ионы и оптические кубиты. Были продемонстрированы шестнадцатикубитные квантовые процессоры на ионах и нейтральных атомах, а также восьмикубитные сверхпроводниковые процессоры. Но можно ли считать, что на этом этапе основные научные задачи решены и развитие квантовых технологий переходит полностью в плоскость инженерных разработок? Оказывается, что ряд актуальных задач требует смены парадигмы.

Проблема масштабирования

Квантовый компьютер необходим для решения определенных классов задач, для которых принципиально невозможно эффективно применять привычные нам классические компьютеры и суперкомпьютеры. Первоначальная идея, возникшая на заре развития квантовых вычислений, состояла в том, чтобы использовать квантовый компьютер для моделирования других квантовых систем, например, молекул и материалов, – это была концепция, высказанная Ричардом Фейнманом в начале 1980-х. Задачи моделирования материалов крайне важны для многих практических применений, например, в авиационной отрасли, а моделирование молекул принципиально важно для фармакологии. Однако уже в это же время анализом потенциала применения квантовых систем для вычислений в гораздо более широком контексте занимался Юрий Манин. В его книге «Вычислимое и невычислимое», опубликованной в 1980 году, обсуждалось, что большие квантовые системы крайне затруднительно анализировать с помощью классических компьютеров – возможность находиться в нескольких состояниях (квантовая суперпозиция) и проявление корреляций между объектами квантовой природы (квантовая запутанность) приводят к тому, что количество ресурсов (времени и памяти) для вычислений свойств квантовых систем растет экспоненциально. Начиная с 1990-х формализация идей Манина и Фейнмана привела к бурному исследованию квантовых алгоритмов: появились идеи использования квантовых компьютеров для решения криптоанализа, оптимизации, решения линейных уравнений и т.д.

Однако каждая из этих задач требует большого количества кубитов – базовых вычислительных элементов квантового компьютера. Банковские транзакции.  Например, для взлома алгоритма RSA-2048, который сегодня используется для криптографической защиты информации, с помощью известного квантового алгоритма Шора необходимо 20 миллионов кубитов, тогда как наиболее мощные на сегодняшний день квантовые вычислительные устройства оперируют сотнями кубитов. Другим примером применений квантовых компьютеров является моделирование. Например, с помощью квантовых алгоритмов можно рассчитывать параметры сложных молекул, а в перспективе – значительно ускорить решение задач вычислительного материаловедения. Однако для демонстрации вычислительного преимущества в этих задачах также требуются сотни тысяч и миллионы кубитов.

Так что для решения практических задач необходимо значительно увеличить количество кубитов – т.е. масштабировать квантовый компьютер. Важная задача при этом не потерять качества контроля над кубитами. Только одновременное увеличение количества кубитов и качества операций с ними – залог роста мощности квантовых компьютеров, приближающего их к решению практических задач.

Поиск идеальной системы

Сегодня несколько физических платформ борются за статус лидера в области квантовых вычислений. Серьёзные результаты достигнуты в экспериментах со сверхпроводниковыми кубитами, а также нейтральными атомами, ионами и фотонами. Также активно развиваются полупроводниковые кубиты – их серьезным преимуществом – как и в случае сверхпроводниковых квантовых процессоров – может быть существующая технологическая база для классических процессоров.

Однако каждая из вышеупомянутых платформ сталкивается с проблемой сохранения качества контроля при увеличении количества кубитов. Использование в качестве кубитов ионов в ловушках позволяет достичь высокого качества квантовых операций, однако количество одновременно контролируемых кубитов-ионов в ловушке порядка 20 и, по всей видимости, может быть увеличено до 50-100. Для нейтральных атомов количество может быть выше, уже показаны эксперименты с 256 атомными кубитами, однако качество операций значительно ниже ионов и сверхпроводников. Недавно анонсированные сверхпроводниковые процессоры IBM имеют 127 и 433 кубита, однако в случае с 127 кубитами качество операций не позволяет решать задачи быстрее классического компьютера, а параметры 433-кубитного процессора пока неизвестны.

Вполне возможно, часть проблем можно будет решить при помощи новых подходов к созданию кубитов. Если большинство сверхпроводниковых процессоров в мире используют так называемую архитектуру трансмона, то группой исследователей из НИТУ МИСИС, РКЦ МФТИ, ВНИИА им. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана была продемонстрирована новая система – кубиты флаксониумы с высоким качеством квантовых операций. Близкие результаты были показаны компанией Alibaba.

Однако можно предположить и другой сценарий, в котором в рамках развития существующих платформ мы увидим определенные пределы для масштабирования. Неизвестно, носят ли эти пределы фундаментальный характер и насколько можно продвинуться дальше, но очевидно, что нужны новые идеи. Одной из идей может стать создание сетей взаимосвязанных квантовых процессоров промежуточного масштаба.

Квантовый интернет

В 2016 году в журнале Scientific American была сформулирована новая концепция будущего квантового компьютера. Авторы статьи предлагали при следующем полете на самолете нам заглянуть в журнал авиакомпании. Там мы бы увидели, что авиалинии не связывают напрямую каждый город с каждым другим, потому что логистика и накладные расходы были бы крайне высокими. Вместо этого они используют центральные «аэропорты-хабы» для создания сетей непрямых соединений. Отказ от прямого подключения позволяет им расширять и управлять гораздо большей сетью пунктов назначения.

Так что представления о квантовом процессоре как о едином локальном устройстве при их масштабировании могут быть пересмотрены. Технология квантового интернета, т.е. возможности соединять квантовые устройства в сети с использованием квантовых коммуникаций (передачи квантовых состояний), позволит увеличить мощность квантовых процессоров не только за счет увеличения количества кубитов в каждом отдельном процессоре, но и за счет связи нескольких процессоров между собой. Таким образом квантовый процессор будет состоять из нескольких «квантовых хабов», соединенных квантовыми коммуникациями. Важно отметить, что при соединении классических компьютеров в сеть их мощности складываются. А при соединении квантовых компьютеров в квантовую сеть их мощности перемножаются. Это дает колоссальный ресурс для решения вычислительных задач.

В 2021 году было проведено несколько экспериментальных демонстраций базовых принципов квантового интернета, в том числе для модульных сверхпроводниковых квантовых устройств. Дальнейший прогресс в этой области стратегически важен для квантовых технологий, а потому комплекс проектов в этой области вошел в Программу развития Университета МИСИС на 2021–2030 гг. Оба ключевых для квантового интернета направления успешно развиваются вузом в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», которая разрабатывает квантовые устройства на основе сверхпроводниковых кубитов, а также в Центре НТИ «Квантовые коммуникации», создающем технологии для квантовой передачи данных с целью защиты информации. Концепция «квантового интернета» также обсуждается как идея для следующих Дорожных карт по квантовым вычислениям с горизонтом 2030 года.

Управление квантовыми системами

Помимо «железа» сети квантовых коммуникаций и технология квантового интернета требуют создания новых алгоритмов, протоколов и методов управления. Наработанный опыт классических телекоммуникаций не всегда может быть напрямую использован в квантовых сетях, а потому требуются глубокие исследования. В области «квантового софта» задачи состоят в том, чтобы разработать протоколы квантовых коммуникаций для связи квантовых компьютеров и новой архитектуры квантовых вычислительных устройств, а также изучить динамику сложных квантовых систем и передачу информации в них. В рамках программы развития в Университете МИСИС также развивается и это направление: уже показаны новые протоколы генерации запутанных состояний и разрабатываются квантовые алгоритмы для решения прототипов прикладных задач, например, из области химии и оптимизации.

Что дальше?

Квантовые технологии, по оценкам экспертов, могут изменить наш мир еще более значительно, чем его изменили традиционные персональные компьютеры и интернет. В ближайшие десятилетия прогнозируется промышленное применение квантовых компьютеров для ускорения практических задач, например, оптимизации, моделирования и машинного обучения. Однако для полноценного масштабирования квантовых технологий нужны долгосрочные исследовательские программы, направленные на исследование новых принципов и архитектур, которые могут сыграть решающую роль для повсеместного внедрения и использования квантовых технологий. Такой областью – источником вдохновения для новых идей в перспективе 10 лет с высокой вероятностью станет квантовый интернет.

Авторы статьи:

С.В. Салихов, к.ф.-м.н., первый проректор Университета МИСИС

А.К. Федоров, PhD, директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС

Информация и фото предоставлены пресс-службой НИТУ МИСИС