Рывок России: зачем в МГУ создали центр квантовых технологий

МОСКВА, 24 ноя – РИА Новости. Первые квантовые компьютеры могут появиться на Земле в ближайшие годы, но какую роль в их "рождении" сыграет Россия? Сергей Кулик, научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ, рассказал, как российские физики будут развивать подобные технологии, и создавать квантовые вычислители в ближайшие годы.

Фундамент нового века

Вчера в Фундаментальной библиотеке МГУ прошла первая встреча участников крупнейшего в России научного консорциума, направленного на развитие квантовых технологий. Как сообщили участники конференции, он был создан в феврале этого года на базе физического факультета МГУ по итогам конкурса, который проводился в рамках Национальной технологической инициативы.

НТИ представляет собой долгосрочную программу частно-государственного партнерства по содействию развитию новых перспективных рынков на базе высокотехнологичных решений, которые будут определять прогресс мировой и российской экономики через 15-20 лет. Программа запущена в июне 2015 года, и на ее реализацию планируется выделить несколько триллионов рублей в последующие два десятилетия.

В декабре 2017 года, как отметил Виктор Садовничий, ректор МГУ, Московский университет стал одним из победителей конкурса НТИ и получил грант на создания Центра квантовых технологий, главной задачей которого стало развитие всех ключевых направлений в этой отрасли и их коммерциализация. 

Помимо МГУ, в этот консорциум вошло несколько ведущих вузов России, в том числе МГТУ имени Баумана и Санкт-Петербургский государственный университет. В него попали и многие академические и научно-исследовательские институты — ВНИИ автоматики имени Духова, Казанский научный центр РАН, Институт физики полупроводников СО РАН в Новосибирске, Физико-технологический институт РАН и Институт физики твердого тела РАН в Черноголовке 

© Фото : Дарья Смирнова / Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ МГУ

Со стороны бизнеса в развитии квантовых технологий будут участвовать многие лидеры рынка в области IT-технологий и кибербезопасности, в том числе ОАО "Криптософт", концерн "Автоматика" и компания ИнфоТеКС, с которой ученые МГУ уже успешно сотрудничали при создании и тестировании первого университетского "квантового телефона".

В последующие четыре года, как пояснил Николай Сысоев, декан физического факультета МГУ и директор Центра квантовых технологий, консорциум планирует решить пять ключевых задач, которые будут касаться не только развития компьютеров и прочих технологий, но и воспитания кадров и создания условий для их дальнейшего распространения и совершенствования. 

По текущим планам участников ЦКТ, на его работу каждый год будет выделяться примерно 350-450 миллионов рублей, как из средств субсидии, так и за счет софинансирования, причем доля частного участия в проекте, как надеются собеседники агентства, будет постепенно расти от года в год, достигнув 88% в 2021 году.

В этом году центру удалось получить примерно 250 миллионов рублей – из средств госбюджета, еще около 50 миллионов – за счет софинансирования. Чуть больше половины от этой суммы уйдет на закупку и разработку оборудования и программного обеспечения, а еще 110 миллионов – на оплату труда ученых, инженеров и других сотрудников ЦКТ.

Три квантовых "кита"

Главная задача центра на первых этапах его работы – "преодолеть технологические разрывы между научными разработками в области среднемасштабных квантовых компьютеров и созданием соответствующей элементной базы".

Это, в свою очередь, будет выражаться в решении трех практических задач – ученые из МГУ и их единомышленники планируют создать систему шифрования данных, использующую технологии квантового распределения ключей, квантовый компьютер "средних масштабов" и скоростные генераторы случайных чисел.

Вычислительное устройство, которое разрабатывается командой ученых под руководством Сергея Кулика, профессора физфака МГУ и научного руководителя ЦКТ, будет состоять из 50 кубитов, достаточно большого числа по меркам уже существующих машин такого рода.

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики.

Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.

"Когда мы говорим про подобные вычислительные машины, нужно понимать, что речь идет о квантовом сопроцессоре. Квантовый компьютер, по сути, представляет собой огромную машину, большую часть которой занимает классическая вычислительная система. Она управляет его работой и тоже проводит вспомогательные расчеты", — объяснил Кулик в беседе с корреспондентом РИА Новости.

© Фото : Дарья Смирнова/Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ МГУ

Квантовая часть этой машины, ускоряющая часть вычислительных процессов, будет построена на базе нейтральных атомов рубидия, чьим поведением физики будут управлять при помощи специальных световых ловушек, удерживающих их на месте.

"В ближайшие три года мы планируем создать систему из пятидесяти логических кубитов. В хорошем смысле, она будет универсальным квантовым компьютером – мы сможем исполнять одно- или двухкубитные операции, чего достаточно для любых квантовых вычислений. Мы собираемся создать на его основе квантовый симулятор, который будет в состоянии моделировать эволюцию более сложных квантовых систем", — продолжает профессор.

Как отметил Кулик, эта вычислительная машина будет ориентирована в первую очередь на решение прикладных, в том числе оптимизационных задач. По его словам, существует около пятидесяти подобных алгоритмов, работа которых может быть существенно ускорена при помощи этого компьютера. 

Вдобавок, компьютер МГУ позволит ученым решить одну из важнейших вех в развитии квантовых вычислений – достичь так называемого "квантового превосходства".  Так физики называют решение произвольной задачи квантовым компьютером, которую будет невозможно просчитать при помощи обычного компьютера за разумное время.

"В принципе, пять десятков логических кубитов находятся на самой границе того числа вычислительных модулей, где это превосходство можно показать. Лучше, конечно, работать со ста кубитами, но и пятидесяти будет достаточно для некоторых задач", — поясняет научный руководитель ЦКТ.

"Лучше зарубежных аналогов"

Помимо вычислительных систем, Кулик и его коллеги по Центру продолжат развитие технологий абсолютно безопасной связи, в том числе и "квантового телефона".

"Мы, безусловно, планируем его развивать. Это один из самых наших ярких проектов, который мы реализовали вместе с нашими партнерами и друзьями из ИнфоТеКС. Главным недостатком современных квантовых технологий пока остается то, что они не понятны для простых потребителей. Квантовый телефон – приятное исключение, очень наглядный и эффективно работающий пример их реализации", — рассказывает физик.  

В настоящее время квантовый телефон работает между кабинетом ректора и кабинетом декана физфака МГУ.

© Фото : Дарья Смирнова / Кафедра фотожурналистики и технологий СМИ МГУ

В ближайших планах ЦКТ – объединение всех подразделений МГУ защищёнными линиями квантовой связи, а также продвижение этих технологий на рынке. К примеру, физики планируют соединить физфак МГУ с корпусами на Моховой улице, используя "городские" линии оптоволокна.

Последний квантовый "кит" – высокопроизводительные квантовые генераторы случайных чисел, как отметил Кулик, разрабатываются в стенах университета уже три года.

Подобные устройства, по его словам, не уступают зарубежным разработкам и станут одной из важнейших частей защищенных квантовых сетей. Кулик и его коллеги очень надеются на то, что они в ближайшее время будут сертифицированы. Это является необходимым условием их появления на рынке.