Российский Национальный центр физики и математики (НЦФМ) планирует к 2027 году создать рабочий прототип фотонного квантового компьютера, который превысит текущие мировые показатели по производительности. Учредителями НЦФМ, расположенного в Сарове (Нижегородская область), выступают Госкорпорация «Росатом», Российская академия науки, МГУ им. М.В. Ломоносова, ОИЯИ и РФЯЦ-ВНИИЭФ. Этот его новый проект относится к классу «мегасайенс».
«Система вычислений, сочетающая электронику и фотонику, предназначена для сверхбыстрой обработки данных с применением нейросетевых методов на основе оптических искусственных нейронных сетей. Фактически, это будет компьютер, сопроцессоры которого проводят вычисления со скоростью света. Мы планируем в ближайшие два года создать рабочий прототип устройства со скоростью обработки информации более 10 в 19-й степени операций в секунду, заметно превышающей текущий мировой уровень», — процитировало в конце минувшей неделе агентство ТАСС научного руководителя НЦФМ, академика Александра Сергеева.
Он отметил, что в отличие от современных электронных вычислительных машин с универсальными процессорами и графическими ускорителями, разработанными ведущими международными компаниями, специализированные фотонные вычислительные системы могут значительно ускорить решение задач: в 100-1000 раз с возможностью достижения эксаопсного уровня к 2030 году — при значительном улучшении энергоэффективности.
Квантовые технологии в вычислительной технике основываются на достижениях фундаментальной науки в направлениях, в которых российские ученые были традиционно сильны. Массовый отъезд бывших советских учёных за границу сформировал сильнейшую русскоговорящую международную научную среду в области квантовой физики. Однако в России осталось много научных групп мирового уровня, в том числе в Российском федеральном ядерном центре и Самарском университете, которые также принимают участие в разработках.
Гонка за производительность, питавшая конкуренцию в сфере IT все последние десятилетия, выходит на новый уровень. Попытки американских администраций контролировать развитие технологии и вводить санкционные ограничения лишь стимулируют поиск новых прорывных технологий в Китае, России и ряде других стран независимо от Штатов. Так, в 2023 году был продемонстрирован первый российский 10-кубитный фотонный квантовый компьютер.
Создание технологии на принципах квантовой теории, таких как квантовая суперпозиция и запутанность, требует контроля над состоянием отдельных квантовых объектов — атомов, электронов, фотонов и др. Прирост производительности вычислительных мощностей при этом может составить несколько порядков.
Работы по созданию квантовых технологий ведутся в трех основных направлениях: квантовая защищенная передача информации, квантовые вычисления и квантовые сенсоры.
Большинство технологически развитых стран уже несколько лет назад приняли долгосрочные программы развития квантовых технологий и приступили к строительству соответствующей национальной инфраструктуры. Лидерами в разработке квантовых технологий являются США и Китай. В этих странах уже функционируют облачные платформы, предоставляющие доступ к прототипам квантовых компьютеров.
Некоторые квантовые технологии в 2020-2021 гг. были объявлены США и ЕС технологиями двойного назначения, а ключевые игроки китайской квантовой программы внесены в санкционный список США. Ограничения на экспорт квантовых технологий действуют также в отношении Российской Федерации.
Оптические квантовые вычисления сейчас находятся как бы в тени по сравнению с решениями на сверхпроводниках, ультрахолодных ионах и т. д . Однако фотоны могут легко и эффективно переносить информацию, а фотонные квантовые компьютеры не требуют криогенного охлаждения и могут работать при комнатной температуре.
Китайская команда разработчиков, как видно из публикации научно-популярного портала 22century.ru, недавно совершила качественный скачок в разработке фотонных компьютеров с помощью нового квантового источника света — полупроводникового нитрида галлия, материала, который десятилетиями уже использовался в светодиодах.
В настоящее время Китай лидирует в области квантовых коммуникаций, но отстает в области квантовой вычислительной техники от Соединенных Штатов. В области квантовой сенсорики между этими странами сложился неустойчивый паритет.
Национальные промышленные центры, такие как «Квантовый проспект» Хэфэя, играют ключевую роль в развитии передовой промышленности Китая, создавая прямую связь между академическими исследованиями и стратегическими технологиями.
Государственный контроль Китая над квантовыми исследованиями и разработками постепенно усиливается, и крупные частные фирмы выходят из сферы квантовых исследований. Как считают американские конкуренты, с чьим мнением можно ознакомиться на itif.org, Китай стратегически извлекает выгоду из открытой инновационной среды за рубежом, избирательно взаимодействуя с ней и одновременно защищая свои собственные квантовые достижения, создавая асимметричную среду для обмена знаниями.
Квантовая отрасль готовится сделать качественный скачок во второй половине 2020-х годов. Существующие рабочие квантовые устройства пока еще не могут превзойти традиционные компьютеры и суперкомпьютеры, хотя в решении отдельных специфических задач показывают превосходные результаты. Кроме того, задачи, на которых подтверждено так называемое «квантовое превосходство», в настоящее время не имеют практического применения.
Квантовые компьютеры функционируют пока преимущественно в лабораторных условиях. Поэтому ожидается, что львиную долю рынка квантовых вычислений составит предоставление облачного доступа к квантовым вычислительным системам, а не продажа самих устройств. В IBM разработана концепция «квантовоцентричных суперкомпьютеров». Ее целью является создание квантовых ускорителей, способных работать в связке с традиционными суперкомпьютерами. IBM прогнозирует, что квантовые вычисления не заменят классические технологии полностью. Квантово-ориентированные суперкомпьютеры объединят квантовые компьютеры и классические вычислительные машины, выполняя задания, выходящие за рамки возможностей каждой из этих систем.
Суперкомпьютерные комплексы в мире уже начали оснащаться оборудованием для квантовых вычислений, включая немецкую Jupiter, японскую Fugaku и польскую PSNC. В рамках программы IBM Quantum Roadmap эта компания, как она сообщила, надеется к 2033 году создать квантово-ориентированные суперкомпьютеры с тысячами логических кубитов.
Россия сегодня развивает все четыре основные платформы квантовых вычислений – сверхпроводящую, ионную, на нейтральных атомах и на фотонах. Приоритетом для нас является развитие собственных критических технологий на собственной научно-производственной базе.
– новый журнал для тех, кто развивает Россию.