Обещают революцию. В РАН показали компьютер, который спасёт мир

Когда лет через десять учёные представят миру эффективное средство от рака или новый материал для аккумуляторов, который позволит заряжать смартфоны не каждый день, а раз в пару недель, эти вещества не откроют случайно в лаборатории и не найдут в недрах земли. Их спроектируют (ну, скажем, за пару дней) на квантовом компьютере, который переберёт миллиарды вариантов молекул, сравнит их друг с другом и предложит самую перспективную.

В России квантовые компьютеры создают в нескольких научных центрах. В одном из них, Физическом институте РАН (ФИАН) представили самый мощный из таких вычислителей. Эта установка выводит отечественную фундаментальную науку в мировую квантовую гонку, где у нашей страны неплохие позиции.

От битов к кубитам

В лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» он занимает всю центральную часть отведённой ему комнаты. Сходу и не подумаешь, что это вычислительная машина будущего. Громоздкий стол со стеллажами. Множество приборов, мониторов, датчиков, узлов и модулей. Паутина проводов... Выглядит не очень футуристично, но для учёных главное — практичность.

«Вот в этой железной коробке находится вакуумная камера с ионной ловушкой, это сердце квантового компьютера, — показывает на блестящий серебристый куб старший научный сотрудник ФИАН Илья Заливако. — Там в условиях глубокого вакуума подвешены ионы иттербия 171 — это квантовый регистр. А чтобы охлаждать ионы, мы используем систему из лазеров, зеркал и оптических модуляторов, — Илья приподнимает крышку широкого чёрного ящика, — и благодаря этому проводим квантовые вычисления».

Цепочка ионов на мониторе выглядит словно жемчужное ожерелье в тёмной пустоте. Всего этих ионов 35, и при воздействии на один из них начнёт колебаться вся цепочка, а система будет работать как компьютер на 70 кубитах.

Но что такое этот кубит, о котором слышала уже, наверное, каждая домохозяйка? Так называют наименьшую единицу информации в квантовых вычислениях. Если классический процессор оперирует битами — нулями и единицами (трудно поверить, но фотографии в вашем смартфоне или музыка в MP3-плеере — это последовательность нулей и единиц), то базовый элемент квантового компьютера выглядит иначе. Он может быть и нулём, и единицей одновременно с определённой вероятностью.

Представить себе такое архисложно. Кубит подобен монетке, которая подброшена и вращается в воздухе: она ещё не «орёл» и не «решка», но она и то и другое — оба состояния сразу. Аналогия не совсем точная, но наиболее понятная.

Именно это свойство кубита даёт квантовому компьютеру грандиозную вычислительную мощность. Причём с увеличением единиц информации она растёт по экспоненте. Если создать устройство на 300 кубитах, они смогут занимать больше состояний, чем насчитывается атомов в известной нам Вселенной!

Гонка сродни космической или ядерной

Кстати, квантовый вычислитель объёмом 300 кубитов — вполне реальная цель, прописанная в российской дорожной карте «Квантовые вычисления». Это государственный проект, и в его реализации участвует много научных организаций и институтов (ФИАН — лишь один из них). А достижение мощности в 300 кубитов запланировано к 2030 году.

Задача не выглядит невыполнимой, если учесть, что в 2020 году наши учёные оперировали всего лишь двумя кубитами. И заметно отставали от иностранных коллег, которые давно уже вели между собой «квантовую гонку» сродни гонке космической или ядерной, которыми была отмечена вторая половина ХХ века.

«Россия поздно включилась в этот процесс, но сейчас у нас очень хорошие компетенции. Можно сказать, что мы сильная в квантовом смысле страна, — говорит директор Физического института им. П. Н. Лебедева РАН академик Николай Колачевский. — Да, пока мы не являемся лидерами в этой области, но находимся в жёсткой технологической гонке с американцами, китайцами, европейцами. Наиболее качественные квантовые операции сейчас производят американские машины, следом идёт Китай, где действует государственная программа и в научные исследования вкладываются очень большие средства, причём не только государственные».

О том, что Россия в этой гонке не аутсайдер и уже наступает на пятки фаворитам, говорит тот факт, что максимальное количество кубитов, которое сейчас достигнуто в ионных компьютерах (квантовые вычисления производят не только на ионах, но и на сверхпроводниках, атомах, фотонах и пр.), составляет 98. Такая вычислительная машина работает в США. ФИАНовский компьютер, напомним, действует на 70 кубитах. То есть это в целом вполне сопоставимый результат.

Избавит города от пробок

В истории цивилизации было не так много изобретений, способных кардинально повлиять (а где-то и переписать правила) сразу на десятки областей знания и человеческой деятельности. Квантовый компьютер — как раз одно из таких изобретений. И претендент на то, чтобы улучшить наш мир, а то и ...спасти его. От рака, например, или других тяжёлых недугов современности — болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Квантовые вычисления обещают революцию в фармакологии, химии, материаловедении, безопасности данных и оптимизации сложных систем.

«Моделирование новых молекул, материалов с предсказанными свойствами — это одна из задач, которые смогут решать квантовые компьютеры, — продолжает академик Колачевский. — Скажем, для лекарственных препаратов очень важным вопросом является, существует ли такое соединение вообще и насколько оно устойчиво. Ответ на этот вопрос очень важен, поскольку экономит огромное количество ресурсов, чтобы учёные не пытались напрасно синтезировать то, чего быть не может.

Квантовые компьютеры позволят решать задачи оптимизации. К примеру, прокладывать наилучшие маршруты для тысяч транспортных средств, разводя потоки, минимизировать автомобильные пробки в городах, улучшать логистику и всевозможные расписания».

Отдельное направление — криптография и безопасность. Квантовые компьютеры позволят создавать каналы связи, которые принципиально невозможно взломать. А это уже может быть связано с вопросами национальной безопасности и обороноспособности страны.

Ну и куда без искусственного интеллекта...

«Сейчас человечество избаловано вычислениями и благами этих вычислений. Мы разговариваем с голосовым помощником по любому поводу, но надо понимать, что, когда ребёнок спрашивает у него, сколько будет два плюс два, это в конечном итоге стоит определённых денег, поскольку на работу искусственного интеллекта затрачивается электроэнергия», — объясняет Николай Колачевский.

Квантовые компьютеры будут помогать искусственному интеллекту решать наиболее сложные задачи, ускоряя машинное обучение и обрабатывая огромные массивы данных. И это не такое уж далёкое будущее.