совместный проект
Глава 3 Квантовые
вычисления
Глобальная квантовая гонка —
один из вызовов XXI века
В эпоху, когда мир ищет новые возможности для повышения эффективности экономики, внедрение квантовых технологий представляется одним из самых перспективных способов придать ей новое качество.Ожидается, что внедрение квантовых вычислений произведет революцию в самых разных сферах человеческой деятельности: речь обо всем, что требует прогнозирования, моделирования, работы с большими данными. Это разработка лекарств, персонализированная медицина, предсказание эпидемий, создание новых материалов, оптимизация транспортных потоков, минимизация финансовых рисков, обработка больших данных и многое, многое другое. В конечном итоге квантовые технологии позволят сократить издержки при создании продукции и оказании услуг — а значит, обеспечат преимущество тем экономикам и странам, которые добьются лидерства в их развитии.
В рамках реализации дорожной карты высокотехнологичной области «Квантовые
вычисления», которая реализуется под
руководством Госкорпорации «Росатом», создаются современные научные лаборатории для развития
квантовых вычислений в
России
Источник: Газета «Страна Росатом»
В 2020 году квантовая тематика стала одним из приоритетов технологического развития нашей страны: Правительство России утвердило первую «дорожную карту» развития квантовых вычислений, ее реализация была поручена «Росатому».
На тот момент стояла задача сократить отставание от стран, стартовавших в квантовом развитии раньше нас. Ее удалось решить в кратчайшие сроки благодаря взаимодействию государства, научно-образовательного сообщества и бизнеса. Если еще недавно Россия находилась на периферии квантовой гонки, то теперь вплотную приблизилась к мировым лидерам.
В рамках реализации дорожной карты высокотехнологичной области «Квантовые
вычисления», которая реализуется под
руководством Госкорпорации «Росатом», создаются современные научные лаборатории для развития
квантовых вычислений в
России
Источник: Газета «Страна Росатом»
Итоги реализации дорожной карты по квантам на 2020–2024 годы:
- Россия вошла в тройку держав (наряду с США и Китаем), обладающих действующими квантовыми процессорами на всех 4 основных физических платформах;
- Россия стала одной из первых 6 стран, создавших квантовые вычислители на 50 и более кубитов;
- созданы 4 действующих квантовых вычислителя:
- 50-кубитный на ионах,
- 50-кубитный на нейтральных атомах,
- 35-кубитный на фотонах,
- 16-кубитный на сверхпроводниках;
- разработано 34 квантовых алгоритма для решения задач квантовой оптимизации, квантовой химии, квантового моделирования, обработки больших данных;
- в России сформировалось квантовое сообщество: единой командой стали более 600 высококвалифицированных ученых страны из 16 ведущих российских вузов и научных центров.
Четыре платформы квантового будущего
Квантовые компьютеры оперируют не обычными битами, а квантовыми — так называемыми кубитами. Их особенность в том, что они могут принимать не строго одно из двух противоположных значений (0 или 1), как биты, а оба одновременно (это называется суперпозицией). Это и другие явления квантовой механики — например, квантовая запутанность — наделяют квантовые вычислители такими возможностями, которые недоступны классическим компьютерам.
Ученые создают кубиты на основе различных квантово-механических систем и объектов, то есть таких, которые настолько малы, что их поведением управляет не привычная нам физика, а правила квантового мира. Есть различные варианты архитектуры: это могут быть отдельные атомы, пойманные в лазерное поле, или электроны, движущиеся в сверхпроводящей цепи.
В числе наиболее перспективных платформ квантовых вычислений выделяются четыре: сверхпроводники, нейтральные атомы, фотоны и ионы. Каждая обладает преимуществами и недостатками, требует реализации уникальных технических решений. Россия — одна из трех стран мира (наряду с Китаем и США), которая создала работающие квантовые вычислители на всех четырех ключевых платформах.
Разработкой процессоров на сверхпроводниках в рамках российской «дорожной карты» развития квантовых вычислений занимаются ученые НИТУ МИСИС. В 2024 году им удалось создать 16-кубитный вычислитель на этой платформе. Он похож на привычную интегральную схему, но для работы ему нужна температура, близкая к абсолютному нулю.
Прототип квантового компьютера в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы»,
МИСиС
Источник: Газета «Страна Росатом»
Наталия Малеева
Директор Дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС
Каждая из четырех платформ квантовых вычислений имеет свои преимущества, абсолютного лидера нет. Кто-то лидирует в точности логических операций, кто-то — в числе кубитов, у кого-то процессоры обладают большей связностью, а у кого-то кубиты «живут» дольше. Не исключено, что в конечном итоге каждая из платформ окажется наиболее эффективной в своей области квантовых вычислений, поэтому и была сделана ставка на развитие всех четырех.
В основе универсального квантового процессора МИСИС лежат сверхпроводниковые кубиты, так называемые трансмоны. Наш вычислитель демонстрирует точность двухкубитных логических операций свыше 98%, что является не менее важным показателем эффективности, чем количество кубитов.
Прямо сейчас работаем над созданием квантового процессора нового поколения на сверхпроводниковых кубитах нового типа — так называемых флаксониумах. При участии Института нанотехнологий микроэлектроники РАН изготовили образцы таких кубитов с точностью однокубитных операций свыше 99,993% — это превосходит мировой рекорд для трансмонов. Еще одним достижением стала успешная реализация уникальной трехкубитной логической операции: развитие по этому пути существенно ускоряет выполнение квантовых алгоритмов.
50-кубитный квантовый процессор на одиночных нейтральных атомах разработан в Центре квантовых технологий МГУ им. М. В. Ломоносова. В качестве кубитов выступают атомы рубидия, захваченные оптическими пинцетами — сфокусированными лазерными лучами.
Квантовый компьютер на нейтральных атомах МГУ им. М.В. Ломоносова
Источник: МГУ им. М.В. Ломоносова
Здесь же, в МГУ, создан и 35-кубитный квантовый вычислитель на фотонах: их испускают квантовые точки, изготовленные в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.
Квантовый компьютер на фотонах МГУ им. М.В. Ломоносова
Источник: МГУ им. М.В. Ломоносова
Станислав Страупе
Руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Наш прототип на нейтральных атомах — это оптический стол, большую часть которого занимает лазерная система, которая используется для охлаждения атомов и управления ими, там же находится вакуумная система, где в оптические пинцеты захватываются одиночные атомы. Однокубитные операции выполняем с точностью 99,8–99,9%, двухкубитные — пока с меньшей, около 90%.
Нейтральные атомы в оптических пинцетах — хорошая система с точки зрения перспектив масштабирования: нам понятно, как дойти от десятков кубитов к сотням и даже тысячам. Для этого нужно наращивать мощность лазерной системы и время жизни атомов в ловушках.
Наше устройство на фотонной платформе — это так называемый бозонный сэмплер, то есть не универсальный квантовый компьютер, а специализированный симулятор. Кубитов как таковых в нем нет: такой вычислитель — это, по сути, большой интерферометр плюс источники и детекторы одиночных фотонов. Впрочем, если для наглядности пересчитать его возможности в эквивалентное число кубитов, то получится около 35. Сейчас стоит задача перехода к практическому применению таких сэмплеров. Полезны они могут быть сразу во множестве областей: от оптимизации сетевого трафика до моделирования белков.
Мощнейший российский квантовый компьютер сегодня — 50-кубитная установка, построенная по технологии холодных ионов в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН. О его создании в сентябре 2024-го объявил генеральный директор госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачев.
Квантовый компьютер на ионах
Источник: Росатом Квантовые Технологии
Статус флагмана этот вычислитель заслужил по итогам множества тестовых испытаний в 2025-м: его работоспособность доказали на целом ряде реальных востребованных задач: от расчета перспективных молекул до обучения нейросетей.
Илья Семериков
Научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН
В масштабах до полусотни кубитов ионные вычислители — самые совершенные среди квантовых устройств. За выполнение квантовых операций в нашем устройстве отвечает цепочка из 25 ионов иттербия. Они удерживаются в электромагнитных ловушках и охлаждаются лазерами почти до абсолютного нуля, а управляют ими с помощью лазерных импульсов.
В нашем вычислителе применены кукварты: системы, в которых ион может одновременно находиться не в двух состояниях, как в кубитах, а в четырех. Это позволяет хранить и обрабатывать больше информации. В процессе создания вычислителя нам пришлось создать множество технических решений — например, методы охлаждения ионов или фильтрации шумов лазеров.
При помощи ионного вычислителя мы продемонстрировали решения ряда практических модельных задач: успешно выполнили поиск по неупорядоченной базе данных, рассчитали структуру нескольких молекул, провели симуляцию ряда динамических систем и обучили нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр. На сегодня наш компьютер можно использовать для решения реальных научных задач, отрабатывать на нем новые подходы к созданию квантовых алгоритмов.
Новый этап развития квантов
Прямо сейчас в мировой квантовой гонке происходит смена приоритетов. Изначально страны соревновались в создании квантовых компьютеров и наращивании числа кубитов. Сегодня пришло понимание, что количественные показатели не связаны с качеством вычислителей. Так, квантовый компьютер IBM на 1121 кубит оказался слабее, чем 127-кубитный от той же компании или 56-кубитный от Quantinuum.
Число кубитов в вычислителе перестает быть самодостаточным достижением. На первый план выходит вопрос их качества, способности решать реальные отраслевые задачи.
В рамках реализации дорожной карты высокотехнологичной области «Квантовые
вычисления», которая реализуется под
руководством Госкорпорации «Росатом», создаются современные научные лаборатории для развития
квантовых вычислений в
России
Источник: Газета «Страна Росатом»
Россия готовится одной из первых в мире начать системное промышленное внедрение квантовых технологий и может стать лидером в этой сфере. Если в США кванты развивают «супертех»-компании и стартапы, а в Китае и Европе — университеты и научные структуры, то в нашей стране такое развитие координируют наукоемкие индустриальные корпорации, заинтересованные в решении повседневных прикладных задач.
В августе 2025-го была утверждена новая «дорожная карта» развития квантовых вычислений в России до 2030 года. Координатором ее реализации вновь определен «Росатом». Приоритет нового этапа российского квантового проекта — переход к практическому применению квантовых технологий в промышленности.
Екатерина Солнцева
Директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом»
В развитии квантового проекта важно не терять набранную динамику, идти дальше. Задача «Росатома» — обеспечить структурные результаты. Считаем необходимым не только разрабатывать квантовое аппаратное обеспечение и ПО, но и учиться использовать квантовые инновации в реальной практике.
Фокусом второго этапа квантового проекта, стартовавшего в 2025 году, станет применение квантовых технологий в различных сферах экономики. «Росатом» уже реализует такую программу в атомной отрасли: применяем квантовые вычисления в логистике, в машиностроении, в работе с ядерным топливом и даже в проектах АЭС следующего поколения.
Мы говорим о создании квантовой индустрии — это большая задача. Любой молодой технологический рынок строится первопроходцами. Как показывает практика, первопроходцы с большей вероятностью получают «стратегическую премию», поскольку оказываются в числе лидеров новых рынков, в значительной мере определяют правила игры для возникающих индустрий. «Росатом» не скрывает, что стремится стать таким лидером. При этом нам нужны союзники и партнеры, которые уже сегодня готовы входить в квантовую тему, чтобы завтра стать квантовыми лидерами своих отраслей не только в России, но и в мире.
Согласно новой «дорожной карте», к концу десятилетия отечественные квантовые вычислительные мощности увеличатся до сотен кубитов и начнут применяться для решения повседневных прикладных задач через отечественную облачную платформу.
Целевые показатели дорожной карты по квантам к 2030 году:
- создание квантового вычислителя на 300 кубитов;
- разработка 54 новых квантовых алгоритмов (в дополнение к 34, созданным на первом этапе квантового проекта);
- развертывание облачной платформы для решения прикладных задач применения квантовых вычислений;
- не менее 10 тыс. пользователей, применяющих квантовые вычисления через отечественное облако;
- проверка не менее 100 научных гипотез по использованию квантовых вычислений в народном хозяйстве с формулированием конкретных требований к техническому решению;
- 8,3 тыс. окончивших бакалавриат, специалитет или базовое высшее образование в области квантовых технологий, 2,6 тыс. — магистратуру или специализированное «квантовое» высшее образование, 800 — аспирантуру в области квантовых технологий.
Совокупное финансирование из бюджетных и внебюджетных источников, включая частные инвестиции «Росатома»,— свыше 29 млрд руб. Научно-техническую экспертизу реализации «дорожной карты» обеспечит Научный совет Российской академии наук «Квантовые технологии», а также группа экспертов, курируемая Технической академией «Росатома».