В декабре 2019 года правительство утвердило дорожную карту «Квантовые технологии», в рамках которой «Росатом» отвечает за создание квантовых процессоров и облачного софта. Несмотря на задержку финансирования и замедление работ из-за коронавируса, проект продвигается. Что удалось сделать за год, рассказали его участники.
Ожидания от квантовых компьютеров — высокие вычислительные скорости и возможность решать задачи, для которых сейчас необходимы огромные мощности и много времени. В числе задач — создание новых материалов в областях от машиностроения до медицины, моделирование, обучение искусственного интеллекта и пр.
Главной сложностью, с которой столкнулись разработчики квантовых процессоров, стала годовая задержка финансирования по дорожной карте. Бюджетная субсидия поступила в «Росатом» лишь во второй половине декабря 2020 года. Этот момент глава Национальной квантовой лаборатории и гендиректор СП «Квант» (входит в «Росатом») Руслан Юнусов считает официальным началом работ по дорожной карте.
Несмотря на финансовые затруднения, работа шла. Деньги вкладывал Российский квантовый центр (РКЦ), поддержку ему оказал Газпромбанк.
«Центр потратил приличные деньги, чтобы запустить работу по направлениям дорожной карты», — сказал Руслан Юнусов.
В рамках дорожной карты СП «Квант» запустил отбор заявок на выполнение работ по всем направлениям. Заявки подавали группы ученых, работающих над созданием квантового процессора, из МГУ, МИСиС, ФИАН, ФТИАН, МФТИ, Сколтеха и РКЦ. Суть заявки — описание планируемой деятельности группы по выбранному направлению. Оценивала заявки независимая экспертная комиссия — специалисты из зарубежных научных организаций. «Если вы знаете, что вашу заявку будут рассматривать лучшие в мире эксперты, причем именно в вашей области, вы, конечно, уделите максимальное внимание качеству подготовки заявки. Ключевой вопрос — это баланс: не пообещать невыполнимых результатов, ставя при этом амбициозные цели», — объясняет Руслан Юнусов.
Принимали заявки в два потока, в январе и мае. Затем эксперты их изучали, авторы получали замечания, дорабатывали. Летом прошла защита каждой заявки и финальная доработка. В итоге в работу взяли 10 заявок, в их создании участвовали 20 научных групп. Теперь план работ есть по каждому направлению дорожной карты: создание квантового компьютера на сверхпроводниках, холодных ионах, нейтральных атомах, фотонах, поляритонах, магнонах, примесях в кремнии, а также создание алгоритмов и облачной платформы.
В 2020 году в работу включились специалисты, в том числе с международным опытом, которые не участвовали в квантовом проекте на этапе подготовки дорожной карты. Один из примеров — формирование группы, которая будет создавать квантовый процессор на холодных ионах кальция. Глава этого коллектива Кирилл Лахманский раньше работал в группе Райнера Блатта, немецко-австрийского физика, который считается одним из лучших в мире специалистов по квантовой информации и созданию ионных ловушек. Группа Лахманского уже работает, моделирует ионные ловушки.
«Экспериментальной лаборатории пока нет, строить ловушки они будут после закупки и получения оборудования, но работа уже проделана большая», — считает Руслан Юнусов.
Для некоторых групп удалось организовать финансирование из дополнительных источников. Коллектив исследователей из РКЦ, ФИАН, Сколтеха и ФТИАН, занятый созданием процессора на холодных ионах иттербия, получил поддержку по гранту для лидирующих исследовательских центров (ЛИЦ). Изначально предполагалось, что гранты будут одной из форм финансирования дорожной карты по квантовым технологиям, но потом их исключили. Впрочем, главное, что деньги на оплату их работы теперь есть.
«В прошлом году в рамках работы по программе ЛИЦ мы разработали и изготовили первый прототип квантового процессора на ультрахолодных ионах. Сейчас его настраиваем. Также создали лазерную систему охлаждения ионов иттербия, которая позволяет понижать температуру ионов примерно до 1 мК. В ближайшее время планируем провести захват квантового регистра из пяти — возможно, и более — ионов, затем будем работать над системой оптической адресации. После ее наладки мы сможем проводить как однокубитные, так и двухкубитные операции в небольших, до пяти ионов, цепочках»,
— перечисляет младший научный сотрудник ФИАН Илья Семериков. Также ученые разработали второй прототип квантового процессора, который должен повысить достоверность квантовых операций.
Сотрудники экспериментальной лаборатории по сверхпроводникам в 2020 году разрабатывали прототипы систем из нескольких кубитов. Результат обещают продемонстрировать в конце 2021 года. Также идет работа над созданием новых типов сверхпроводящих кубитов.
«В 2020 году мы разрабатывали, тестировали и вели отладку квантового симулятора на основе сверхпроводниковых кубитов», — рассказывает руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре Алексей Устинов. Симуляторы дают результат, который полезен при решении определенного круга задач. Первый экспериментально исследованный прототип такого симулятора состоит из 11 связанных между собой кубитов-трансмонов, то есть кубитов, менее чувствительных к зарядовому шуму. «Симулятор моделировал одномерный фотонный кристалл. Мы детально измерили его, используя микроволновую спектроскопию при температуре около 20 мК. Экспериментальные измерения мы сравнили с расчетными и убедились, что квантовое описание исследованной квантовой схемы корректно. Наша работа — важный шаг к созданию крупномасштабных устройств для квантовых вычислений и симуляции», — уверен Алексей Устинов.
Команде по нейтральным ионам пришлось сложнее всего: из-за коронавируса лаборатория в МГУ была закрыта на несколько месяцев. Однако сейчас ученые работают и в 2021 году должны наверстать упущенное время.
«Мы работали над индивидуальной адресацией к отдельным атомам и операциями с ними. Для этого создали оптический пинцет, который позволяет управлять частотой кубитного перехода в атоме рубидия, то есть менять энергию подуровней сверхтонкого расщепления, в которые кодируются логические состояния кубита. Из-за того что частота перехода сдвигается, можно излучением определенной частоты обращаться к единичному кубиту», — объясняет глава сектора квантовых вычислений центра квантовых технологий МГУ Станислав Страупе. Кроме того, в МГУ научились создавать двумерные регистры, содержащие до 36 атомных кубитов. Выглядят они как квадраты со стороной в шесть атомов. «В следующем году мы планируем выполнять двухкубитные операции — контролируемое взаимодействие между атомами в соседних узлах регистра. Собираем усовершенствованную экспериментальную установку. По плану она должна быть уже готова, но пандемия внесла свои коррективы, к сожалению», — делится ученый.
Кроме того, специалисты из МГУ и МГТУ им. Баумана в течение года вместе работали над созданием процессора на базе фотонов. Ученые настроили два источника фотонов. Один — на основе квантовых точек. Квантовые точки — это дефекты в полупроводниковой структуре. В качестве таковой ученые взяли гетероструктуру из арсенида галлия, которая при накачке лазером может излучать одиночные фотоны. Второй источник работает на основе спонтанного параметрического рассеяния фотонов в трех нелинейных кристаллах. Каждый излучает пару запутанных (то есть одинаковых, имеющих, например, один и тот же спектр) фотонов. Ученые из МГТУ разработали технологию создания программируемых интегрально-оптических схем из нитрида кремния. «Основными задачами следующего года будет объединение кубитов и схемы — чипа, который преобразует квантовое состояние фотонов и выполняет алгоритм. Объединение даст начало полноценному оптическому квантовому процессору», — говорит Станислав Страупе.
Квантовая облачная платформа нужна, чтобы предоставлять пользователям виртуальный доступ к квантовым компьютерам. Пользователями могут быть представители различных организаций, заинтересованных в проведении экспериментов и исследовании возможностей квантового процессора для решения практических задач. Создавать платформу начали еще в 2018 году, до формирования дорожной карты, с участием Газпромбанка. Изначально она была нацелена на защищенную передачу данных с использованием квантовых технологий, но затем ее переориентировали на задачи квантовых вычислений.
В лаборатории квантовых симуляторов и интегрированной фотоники РКЦ собирают установку для получения бозе-конденсатов атомов тулия
Предполагается, что в первом полугодии 2021 года к платформе будет открыт тестовый доступ.
«Собственных квантовых процессоров, к которым можно предоставлять доступ, пока нет. Но, чтобы не терять время, мы создаем платформу для доступа к небольшим квантовым процессорам IBM и ведем переговоры с несколькими европейскими стартапами. Они делают собственные квантовые процессоры. При этом наши компетенции по разработке софта могут быть полезны и западным коллегам. Для нас это, может быть, самый быстрый способ выйти на международную арену», — полагает Руслан Юнусов.
Сейчас СП «Квант» договаривается о сотрудничестве с крупными компаниями, которые хотят использовать квантовые процессоры для решения своих задач. Разработчики процессоров смогут лучше понять, на что им надо нацеливать программное обеспечение, и наработают опыт. Индустриальные же партнеры смогут решать свои задачи на новейших платформах.