К 2024 году в России по планам правительства должны создать собственный полноценный квантовый компьютер — устройство, которое проводит вычисления в миллиарды раз быстрее современных машин. В целом на квантовые технологии правительство запланировало выделить 20 млрд рублей. Работы будут курировать три госкорпорации — «Росатом», РЖД и «Ростех». Недавно было даже объявлено о создании Национальной квантовой лаборатории (НКЛ), которую возглавил уроженец Нового Уренгоя Руслан Юнусов, отработавший более десяти лет в ТЭК. При этом во всем мире разработкой суперкомпьютеров занимаются частные корпорации вроде IBM и Google.

Доктор физико-математических наук Валерий Рязанов в лаборатории сверхпроводящих материалов МИСиСmisis.ru

Почему в РФ разработкой заведуют госструктуры? Чем НКЛ отличается от Российского квантового центра, который существовал ранее? Почему в РФ работы будет курировать не какой-нибудь именитый ученый, а менеджер из бизнеса? Выделяемые государством на эти цели 20 млрд рублей — это много или мало? Зачем вообще сейчас создавать свой квантовый компьютер, если эти системы за рубежом существуют с 2000-х годов?

Все эти вопросы Znak.com адресовал заведующему лабораторией сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН, главному научному сотруднику лаборатории сверхпроводящих материалов Московского института стали и сплавов, доктору физико-математических наук Валерию Рязанову. Возглавляемая им команда ученых годом ранее объявила о создании первого в России прототипа квантового компьютера. Но теперь Рязанов почему-то отказался от своего руководящего статуса.

Для начала работ нужно $100 млн, мы получили 13

— Объявлено о создании при госкорпорации «Росатом» Национальной квантовой лаборатории. Что это за институция, чем она будет заниматься и чем отличается от Российского квантового центра, существовавшего ранее?

— В пресс-релизе госкорпорации «Росатом» объявлено, что Национальная квантовая лаборатория (НКЛ) — это консорциум, создаваемый под эгидой госкорпорации «Росатом». Я представляю часть этого распределенного консорциума, который в течение трех с половиной лет выполнял первый в России проект по сверхпроводниковым кубитам (квантовый бит; наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере — Znak.com). Проект включал в себя семь организаций. Одна, Новосибирский технический университет, довольно удаленная. Они занимались электроникой для проекта и в дальнейшей работе, возможно, не будут участвовать. И еще шесть лабораторий, которые были непосредственно вовлечены в работу по реализации квантовых схем.

Кто участвует в разработках

Лаборатория искусственных квантовых систем в Московском физико-техническом институте (МФТИ), которую возглавляет Олег Астафьев. 

Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов Московского института стали и сплавов (НИТУ «МИСиС») под руководством Алексея Устинова. 

Институт физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) и лаборатория Российского квантового центра (РКЦ) в ИФТТ РАН. 

Всероссийский НИИ автоматики им. Н. Л. Духова — структура Росатома (ФГУП «ВНИИА»), выступившая в качестве головной организации. 

Московский государственный технический университет (МГТУ им. Н.Э. Баумана), включая созданный совместно ВНИИА и МГТУ новый технологический центр для производства микро- и наноструктур.  

— Какова была роль РКЦ в этом проекте?

— Конкретно в проекте по сверхпроводниковым кубитам — не очень большая. РКЦ всегда рассматривал свою деятельность гораздо шире. Он долгое время не признавал сверхпроводящее направление, которым мы занимаемся, одним из основных. 

Доктор физико-математических наук Алексей Устиновmisis.ru

Первоначально Квантовый центр заявлял, что самый перспективный подход — делать компьютер на основе нейтральных атомов. Потом, буквально год или два назад, руководство РКЦ сменило приоритеты, «поставив» на кубиты из ионов. Слава богу, в этот момент свершился довольно большой прорыв и квантовое превосходство («quantum supremacy») было показано при помощи решения сложной задачи командой Google из Калифорнийского университета Санта-Барбары на 54-кубитном сверхпроводниковом квантовом компьютере. После этого весь мир, в том числе и российская научная общественность, повернулись лицом к сверхпроводниковым кубитам и, собственно, случился некий хайп в этой области.

— Кто финансировал работы, которые вела ваша коллаборация и какой объем денег был выделен?

— Все начиналось при поддержке трех государственных организаций: Фонда перспективных исследований (ФПИ), Минобрнауки, которое субсидировало университеты для покупки оборудования, и «Росатома», который финансировал главным образом технологический центр ВНИИА/МГТУ. В мировых масштабах деньги были не очень большие. На Западе, к примеру, для начала работ по кубитам научному центру или проекту с участием нескольких научных организаций требуется не менее 100 млн долларов. Мы, в переводе на тогдашний курс, получили на все наши семь команд всего примерно 13 млн долларов на три с половиной года. В каком-то смысле ФПИ, внесший в реализацию проекта более 300 млн рублей, как раз выполнил свою уставную цель в качестве посевного инновационного фонда. Задача таких фондов — поддерживать перспективные технологические проекты на начальной стадии. А потом это уже должно финансироваться из других средств.

Руслан Юнусов — управленец или ученый?

— Почему Росатом в этой конфигурации стал головной организацией?

— Во-первых, есть требование ФПИ, согласно которому поддержка любого нового проекта возможна, только если в нем обозначен госзаказчик. Во-вторых, в команде теоретиков ВНИИА много выходцев из академических институтов, в том числе тех, с кем мы фактически начинали эти проблемы обсуждать за несколько лет до начала проекта. 

За обсуждением проекта по квантовой криптографии в Российском квантовом центресо страницы в Facebook Руслана Юнусова

Кроме того, неожиданно оказалось, что технологический центр, который ВНИИА создали совместно с МГТУ, можно было довольно быстро, за полтора года, доукомплектовать для изготовления сверхпроводниковых кубитов. Таким образом, и по существу роль ВНИИА оказалось значительной. В принципе, они могли быть просто госзаказчиком, но не головной организацией. Это было наше внутреннее решение — сделать так, чтобы все основные игроки были равноудалены от «центра». Оно оказалось удобным. Практика показала, что ВНИИА и технологический центр стали важными составными частями нашего консорциума. Именно это позволило впоследствии Росатому объявить себя ведущей в России организацией по квантовому компьютингу.

— В то же время в 2019 году РЖД объявляло о создании своего центра квантовых коммуникаций…

— В России существует государственная программа «Цифровая экономика», и там есть три направления по квантовым технологиям. 

Глава Сбербанка Герман Греф — о трендах новой цифровой эпохи

Первое — квантовые телекоммуникации: защищенная связь и криптография. В основе лежит передача информации при помощи квантов света, фотонов. Их в принципе «подслушать» невозможно, так как если вы подслушиваете квантовое состояние, то вы его разрушаете. Эта отрасль уже достигла уровня практической реализации, и на небольшие расстояния квантовая передача данных сейчас выполняется. 

Второе направление — квантовый компьютинг, то, чем занимаемся мы. 

Третье направление, которое организовалось чуть позже, — квантовые сенсоры (их, например, очень ждут в медицине, так как они позволят сканировать чуть ли не каждую клетку в отдельности. — Ред.). 

Таким образом, правительство, опираясь на госкорпорации, которым оно доверяет, около года назад приняло решение, согласно которому за квантовые технологии будет отвечать Росатом. 

Доктор физико-математических наук Олег Астафьевskoltech.ru

РЖД поставили отвечать за квантовые коммуникации. Главным образом потому, что именно эта структура распоряжается всеми оптоволоконными линиями, которые пролегают вдоль всех железных дорог. А квантовые сенсоры — это Ростех. Генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов доказал в руководстве «Росатома», что он достоин возглавить управляющий офис «Росатома» по квантовому компьютингу. Была при этом, правда, некоторая неразбериха в самом Росатоме. Решение принималось без участия ВНИИА. То есть как только дело дошло до большого проекта и финансирования, оказалось, по-видимому, что в Росатоме есть гораздо более серьезные люди, которые этим готовы заниматься, а не только научное руководство ВНИИА.

— Судя по биографии Юнусова, родился он в Новом Уренгое, долгое время работал в ТЭК — он скорее управленец, а не ученый. 

— Он окончил физфак МГУ и по образованию физик, кандидат физико-математических наук. Позднее он состоялся в бизнесе. Надо также признать, что РКЦ, который он возглавляет в течение многих лет, может похвастаться определенными успехами в различных научных областях, в том числе в области квантовых технологий. Мне всегда не очень нравилось, что Российский квантовый центр перебирает с PR и как-то слишком пытается перетянуть одеяло на себя.

— Например?

— Раз в два года в гостинице «Украина» РКЦ проводит помпезную дорогую конференцию, куда собирает весь мировой цвет. В последний раз, год назад, например, были люди из Google. Все было шикарно, приезжали первые лица Росатома, и РКЦ, как всегда, позиционировал себя в качестве «самой ведущей» организации в России во всех областях квантовых технологий. С другой стороны, возможно, что менеджер Руслан Юнусов действительно неплохой. Постепенно я становлюсь лучшего мнения о нем. Посмотрим, что будет дальше.

2016 год. Руслан Юнусов (справа) рассказывает Владимиру Путину (в центре) о квантовых технологияхсо страницы в Facebook Руслана Юнусова

Времени на раскачку нет

— Возвращаюсь к первоначальному вопросу: чем по сути является созданная сейчас Квантовая лаборатория?

— Первоначально у нас было желание построить коллаборацию снизу, но все пошло сверху. И мы сейчас движемся вниз — от решения правительства поручить все это дело госкорпорациям. Мы с этим вынуждены были смириться, поскольку кто платит деньги, тот и музыку заказывает. Конечно, будем встраиваться. Кто-то с желанием, кто-то без желания, но дело надо продолжать. К настоящему времени управляющий офис организовал «дочку» Росатома — совместное предприятие «Квант» — в качестве распорядителя бюджетных средств. Положение правительства о том, как распределять деньги по квантовому компьютингу, появилось несколько дней назад.

— «Квант» — это компания-прокладка?

— Наверное, это было неизбежно — иметь такое центральное юридическое лицо, ответственное за это направление квантовых технологий. Оно, конечно, в этих условиях могло быть только «росатомовским». 

Хотя реально НКЛ создается вокруг Российского квантового центра. РКЦ не так давно переехал в Сколтех и собирается сейчас там развиваться. В частности, при поддержке Сколтеха решено создавать новую чистую зону, где можно будет изготавливать квантовые структуры для различных платформ квантовых вычислений. То есть помещение территориально будет находиться в Сколтехе, но делаться все будет на деньги СП «Квант». Средства понадобятся немалые, и начинать придется с нуля, закупать кучу технологического оборудования. 

misis.ru

Проблема в том, что отчитываться по госпрограмме надо уже с этого года, а к 2024 году предстоит выполнить ряд целевых показателей утвержденной правительством Дорожной карты. 

Вместе с тем есть организации, которые я перечислял выше, и фактически именно они уже в течение нескольких лет активно ведут эту квантовую тему. Создаваемым в Сколтехе лабораториям потребуется полтора-два года, чтобы просто что-то начать. Такого времени у СП «Квант» на раскачку нет. Поэтому создание Квантовой лаборатории как консорциума уже активно работающих в этом направлении организаций — мера правильная и своевременная. СП «Квант» должен эти организации поддерживать, чтобы работа там не останавливалась.

— Юнусов как к этому относится?

— Ну, вот подписание того документа о Квантовой лаборатории, с которого мы начали, свидетельствует о том, что, в принципе, он согласен. Не вполне понятно пока как, формально, закупать, например, оборудование для этих организаций и т. п.

— Но в таком случае зачем вообще нужно создание лабораторий в Сколтехе?

— Отвечу уклончиво. Нужно ли было вообще делать «Сколково», когда есть целый ряд академгородков и научных центров, которые нужно развивать? Но обсуждать это уже поздно. Не берусь судить и прогнозировать, что получится на базе Российского квантового центра. Руслан Юнусов считает, что все мы там через несколько лет соберемся. Что в этой чистой зоне и этих лабораториях будет сделана основная часть работы по квантовому компьютингу. Он прямо говорит: «Мы поддержим существующие организации, но вы должны помочь создать лаборатории в Сколтехе».

Есть идея о привлечении спецов с Запада

— А вы готовы там собраться?

— Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Да, мы работаем на своих местах сейчас, но коли есть единая важная задача, то кто-то все равно должен играть активную роль ведущего. Руслан Юнусов, в принципе, принял наши условия и считает, что процесс сможет пойти параллельно: создание в Сколтехе чистой зоны, лабораторий и наша деятельность. У него даже есть идея, что для активизации процесса он пригласит туда людей с Запада.

Квантовый компьютер D-Wave Systemsdwavesys.com

— Кого-то конкретно?

— И в принципе, и конкретно. Например, он обещал привести австрийцев, лидеров по ионной платформе.

— А это действительно необходимо?

— Если есть возможность кого-то сюда заманить, то это надо делать, особенно возвращать собственные российские умы. Пока это плохо получается, но все-таки иногда получается.

— Вы про Олега Астафьева — нашего ученого, который уехал на Запад, а потом вернулся?

— Олег Астафьев — пример очень замечательный, но здесь заслуги РКЦ невелики. Первый кубит был сделан в 1999 году в Японии, и в этом деле участвовали два россиянина, которых я хорошо знаю. Один из них — Олег Астафьев. Он потом перебрался в Англию, а уже оттуда к настоящему времени почти перебрался назад, в Россию. Сейчас возглавляет подразделение в Сколтехе и руководит лабораторией в МФТИ. 

Еще один ключевой человек в области квантового компьютинга в России —наш бывший студент в ИФТТ РАН и мой очень близкий друг Алексей Устинов. Он тоже уехал на Запад и первым из сотрудников ИФТТ начал заниматься сверхпроводниковыми кубитами, сначала в Эрлангере (Германия), потом в Карлсруэ (тоже Германия). 

Я сам впервые начал принимать участие в работах по кубитам во время поездок в Германию к Алексею, пытаясь внедрить некоторые свои наработки. 

Сейчас Алексей Устинов создал лабораторию в МИСиС, а также лабораторию РКЦ в Черноголовке. Но примеры эти единичные. Нужно в основном полагаться на другой путь. Опыт нашей образовательной программы в МФТИ показал, что буквально за три года удается воспитать классных ребят. Двоих или троих из них я считаю просто гениальными. 

Лаборатория сверхпроводящих материалов МИСиСmisis.ru

Они очень скоро обойдут всех нас и возьмут дело на себя. А это надежнее, чем на два-три года заманивать в Россию за большие деньги иностранцев.

— Можно назвать имена?

— В МИСиС сейчас основной «мотор» — это Илья Беседин, аспирант на выходе. Такой же человек в МФТИ — Глеб Федоров. Есть еще Алексей Дмитриев. Его мы когда-то переманили с другой темы, и он наверняка об этом не жалеет. Совершенно удивительным образом раскрылся как выдающийся технолог Алексей Болгар в лаборатории Олега Астафьева. Это именно он сейчас творит в МФТИ кубиты. 

Честно говоря, читая много лет отдельные курсы сначала в МГУ, а потом в МФТИ, я никогда не думал, что втянусь в этот педагогический процесс, возглавлю образовательную программу (кафедру). В целом это довольно неблагодарная, но совершенно необходимая работа. 

Мы выходили на Yandex, но дело не пошло

— Почему вы, человек, который изначально руководил проектом квантового компьютинга, ушли с этой позиции?

— Свою миссию в качестве руководителя первого в России объединенного проекта я успешно выполнил (к 2020 году в рамках этого проекта ФПИ был создан прототип первого российского квантового процессора. — Znak.com). И когда началась эта неразбериха — кто главнее в рамках нового проекта под эгидой Росатома, я в это не стал вступать. Честно говоря, наелся администрированием в проекте ФПИ. Дальше просто буду заниматься своим куском работы: образованием и работой в двух лабораториях. Если нам, дай бог, помогут купить еще один рефрижератор и еще немного микроволнового оборудования, я буду просто счастлив.

misis.ru

— Каков бюджет, который сейчас выделяется на реализацию квантовой программы в России?

— На реализацию всех платформ по квантовому компьютингу выделяется порядка 20 млрд рублей со сроком реализации до 2024 года. Конечно, сейчас в условиях коронавируса может случиться все что угодно. Могут порезать финансирование или растянуть программу до 2030 года.

— Это все государственные средства?

— Кажется, около 30% — негосударственные. Для этого дофинансирования, по-видимому, и назначили госкорпорации, которые располагают собственными деньгами. 

— А непосредственно частные деньги есть?

— Думаю, что нет. На каком-то этапе мы пытались выйти, например, на Yandex, но дальше разговоров не пошло. Им всем и хочется, и колется. Слишком уж дело неопределенное по срокам и приложениям.

— И дороговато?

— Наверное, да.

— Что вы должны сделать за 20 млрд рублей к 2024 году?

— Это общий бюджет на все направления или платформы по квантовому компьютингу, который курирует Росатом. 

Мы занимаемся квантовым компьютингом на основе сверхпроводниковых кубитов, и с 2016 года смогли создать двухкубитный процессор. 

К 2024 году планируем сделать квантовый процессор на 30 кубитах и соответствующий эмулятор на классических компьютерах. Эмулятор позволит нам проверять, правильно или неправильно работает квантовая система. 

В соответствии с дорожной картой на следующий год у нас запланирован четырехкубитный процессор, потом восьмикубитный, потом — на 16, 30 или 32-х кубитах. 

Первый российский прототип квантового компьютераmisis.ru

Кроме того, там еще есть задачи по квантовым симуляторам. Другие группы отвечают за квантовые процессоры и квантовые симуляторы на ионах, нейтральных атомах, фотонах.

— Группа Джона Мартиниса, сотрудничающая с Google, продемонстрировала работу девятикубитного сверхпроводящего процессора еще в 2015 году, а в 2019 году компания IBM представила «облачный» доступ на 20-кубитный квантовый процессор. Google через пару месяцев после этого заявила о прорыве в создании 72-кубитного процессора и достижении квантового превосходства. Получается, вы сейчас идете вслед за ними?

— Догоняем. Только учтите, что перечисленные вами группы работали около 20 лет, а мы только четыре.

Зачем это нужно России

— А это вообще надо России или можно не тратить деньги и пользоваться зарубежными разработками?

— Те, кто верит в квантовый компьютер, обязаны это делать. Это все равно что когда-то отставать в атомном проекте. Мы находимся на уровне 2012–2015 годов в мировом соизмерении. Задача стоит сократить это отставание. Да, во многом мы действуем по зарубежным лекалам. Но тут как на кухне — какой бы рецепт борща кто ни прочитал, одна хозяйка делает его вкусным, а другая отвратительным. 

Квантовый компьютер IBMibm.com

В этой теме много деталей и тонкостей, списать полностью не получается. Везде, где можно пользоваться чужими результатами, мы, конечно, ими пользуемся, иначе не догоним никогда. 

Что касается меня и многих других физиков из наших команд, мы бы с удовольствием в этой гонке не участвовали. Много интересного в самой фундаментальной физике искусственных квантовых систем, уже реализованных нами к настоящему времени. Если бы можно было не заниматься наращиванием числа кубитов в реализованных процессорах, а просто заниматься интереснейшей физикой, мы бы так и делали, но кто нас в этом случае будет финансировать? 

На самом деле в тех типах кубитов, которые мы умеем делать, уже проглядывается некий застой. Стало понятно, что надо придумывать и создавать новые системы. Это уже физика,  в которой мы хорошо разбираемся. Как знать, может быть этим путем и надо идти. Делать новые кубиты и не возиться с улучшением характеристик старых.

— Зачем вообще нужны квантовые компьютеры и когда они появятся в каждом доме?

— Классические суперкомпьютеры с высокой производимостью тоже не для каждой кухни, а все-таки весь мир над этой проблемой неустанно бьется. А квантовый компьютер — это супер-суперкомпьютер. Пока не так много придумано квантовых алгоритмов, поэтому этот супер-суперкомпьютер ограничен в своем применении. 

Как искусственный интеллект изменит российскую бюрократию, власть и экономику. Интервью

Нельзя говорить, что он сразу после реализации заменит все классические суперкомпьютеры. Но и сейчас ясно, что ему по плечу многие задачи оптимизации. 

Например, решение известной задачи коммивояжера — как правильно выбрать дорогу, чтобы посетить N узлов за меньшее количество времени. Есть задачи, необходимые для криптографии. Квантовый компьютер способен быстро расшифровывать стандартные коды, используемые в криптографии. 

Еще один квантовый алгоритм обеспечивает быстрый поиск в больших базах данных. Вероятно, квантовый компьютер будет использован и в проблеме искусственного интеллекта. Работа с большими объемами данных, big data, — важное современное направление. Фактически вместо того, чтобы логически домысливать и искать ответ, вы копите признаки, например, разных болезней. А потом делаете человеку всяческие анализы, кидаете все результаты в эту машину, и та определяет, что это точно такая-то болезнь.

«Вероятно, квантовый компьютер будет использован и в проблеме искусственного интеллекта»Яромир Романов / Znak.com

— «Это точно коронавирус».

— Допустим. И еще, по-хорошему, квантовые процессоры и симуляторы нужны для квантово-механических расчетов: для создания новых материалов, например. Это нужно всем и, в частности, тому же ‚Росатому‘. Квантовая химия и квантово-механические расчеты сейчас страшно приблизительны. Для достижения большей точности даже мощностей существующих суперкомпьютеров не хватает. В случае, если вы умеете создавать искусственные квантовые системы, вы делаете рукотворную модель нужной квантовой структуры из искусственных атомов и прогоняете через нее задачу, чтобы проверить, достигли ли вы требуемых характеристик.

— Насколько я понимаю, квантовые процессоры — это не единственная из известных сейчас технологий, которая позволяет решать задачу повышения эффективности электронно-вычислительных систем. Идет много разговоров о молекулярной электронике и сверхпроводящей цифровой электронике…

— Это принципиально разные вещи — квантовая и обычная цифровая электроника. В случае с квантовыми технологиями мы говорим о принципиально новом подходе. А в тех новых электрониках, о которых вы сказали, речь о том, как улучшить обычную бинарную систему с нолями и единицами. Она примитивна, это просто организация быстрых переключений между «да» и «нет». 

Сейчас основные проблемы —сделать компьютер более производительным, при этом его элементы должны быть как можно меньше и выделять как можно меньше тепла. На полупроводниках это стало уже очень трудно делать. К тому же чем сильнее вы уменьшаете элементы, тем сильнее они греются при переключении. Тепловыделение — вот сейчас главная проблема. Поэтому, например, дата-центр Facebook находится в Швеции вблизи Полярного круга. Это позволяет меньше заботиться об охлаждении.

Дата-центр Yandex в ФинляндииСкрин с телеканала Yandex в YouTube

— Это еще и высокое энергопотребление.

В России презентовали телефон с квантовым шифрованием за 30 млн рублей

— На работу таких систем и суперкомпьютеров тратятся мощности целых электростанций. И с этим надо что-то делать. Еще одна проблема в том, что, уменьшая размеры элементов до нанометров, вы получаете в них квантовые эффекты, которые мешают классической электронике. Зачем бороться с квантовыми эффектами, если ими можно воспользоваться? Одно из перспективных направлений — это сверхпроводящая цифровая электроника. Сейчас уже делают сверхпроводящие процессоры, правда, еще довольно примитивные, но уже обладающие тактовой частотой в интервале 20-100 гигагерц (самые современные процессоры на полупроводниках сейчас выдают не более 10 гигагерц), а тепловыделение в них на пять порядков меньше. Кто-то рекламирует молекулярную электронику, кто-то «одноэлектронику», кто-то фотонику или спинтронику… Но все это — возможное будущее. Полупроводниковая электроника развивалась более 70 лет, и в нее вложены огромные коммерческие деньги, а здесь все надо развивать фактически с нуля.

— И что перспективнее — развивать новую цифровую электронику или квантовую? 

— Так нельзя сравнивать. Область применения квантовых компьютеров вполне ограничена. И никто из нас пока не льстит себя надеждой на то, что все остальное придется выбрасывать.

Хочешь, чтобы в стране были независимые СМИ? Поддержи Znak.com

Источник: www.znak.com