Його ще доводять до розуму і» налаштовують”, проте воістину фантастичні можливості квантового комп’ютера вже відомі. Він допоможе, наприклад, створювати найскладніші матеріали із заданими властивостями, проектувати молекули з більш ніж 50 міжатомними зв’язками… І робити це за лічені хвилини, тоді як чинним комп’ютерам потрібні були б роки. У нашій країні цей незвичайний пристрій на основі надпровідників розробляє консорціум з трьох московських університетів (ніту “місіс”, мфті, мгту ім. Н.е. Баумана), а також внііа росатома, російського квантового центру (ркц) і інституту фізики твердого тіла ран. Розповідає науковий керівник проекту доктор фізико-математичних наук олексій устинов, професор відразу трьох вузів: ніту “місіс”, мфті і технологічного університету карлсруе (німеччина).

– як сталося, що ви вибрали цей напрямок? – досить довго я займався фізикою надпровідників-створював пристрої, що застосовують так звані джозефсонівські переходи. Ще на початку 80 – х років минулого століття було висловлено припущення, що вони володіють макроскопічними квантовими властивостями. Але щоб довести це, знадобилося багато часу і маса експериментів. У цю чортівню я і занурився.

– і що являє собою “чортівня”? – суть в тому, що вчений світ одного разу погодився описувати мікрооб’єкти – окремі атоми, електрони, фотони – за законами квантової механіки. Але що вона застосовна і до великих макроскопічних систем, що складається з багатьох мільярдів частинок, довгий час викликало непримиренні суперечки. Відразу виникли питання, як управляти цим рухом великого числа частинок, чи вдасться встановити, як довго зберігаються стану великих квантових об’єктів і як їх контролювати. Припущення, що час когерентності (збереження вихідних квантових станів) великих об’єктів може бути досить великим і вимірюваним, здавалося єрессю з точки зору традиційної квантової фізики мікрочастинок. Однак, розбираючись з цим явищем, вдалося збільшити час когерентності макроскопічних об’єктів на основі надпровідників приблизно в мільйон разів і довести до тисячних часток секунди. Так з’явилася можливість проводити квантові розрахунки, а закони квантової механіки стали універсальним засобом для опису і вивчення самих різних систем і природних явищ.

– які завдання зможуть вирішувати квантові машини? 8>–>- проводити, наприклад, розрахунки міжатомних зв’язків при створенні складних молекул і матеріалів, а також передбачати їх властивості. На звичайному комп’ютері зробити точний розрахунок великих молекул і складних матеріалів практично неможливо, а квантовий комп’ютер впорається з цим практично миттєво. Як за рецептом лікаря складають ліки, так виникає перспектива отримувати матеріали, яких в природі не існує. Або таке технічне завдання. На трубопроводі виходить з ладу насос-і потрібно терміново і якомога швидше проаналізувати масу можливих альтернативних маршрутів транспортування вуглеводнів і відновити роботу з мінімальними втратами. Квантовий комп’ютер здатний вирішувати подібні завдання оптимізації, розглядаючи безліч варіантів одночасно. Однак зауважу: поки квантові комп’ютери мають лише обмеженою точністю, тому порівнювати їх потенціал з діючими комп’ютерами ще рано.

– як розвивається цей напрямок у світі? – бум в області квантової фізики почався років сім тому, коли такі гіганти, як google, ibm, і багато інших почали вкладати великі кошти в створення квантових комп’ютерів і домоглися певного прогресу. Вважається, що зроблені ними машини успішно працюють, проте насправді вони не просунулися далі тестів для їх перевірки і налагодження. Складність в тому, що розрахунки на пристроях з 50 і більше кубітів неможливо перевірити, навіть у суперкомп’ютерів немає таких потужностей, тому треба було б дуже багато років. (біт-традиційна одиниця представлення інформації, що має два значення: 0 і 1, вимкнено і включено. Квантовий біт, або скорочено кубіт, розташовується між 0 і 1, тобто на будь-який «широті» і «довготі» сфери з полюсами 0 і 1, а тому являє собою безліч значень одночасно.)

– в якому стані знаходяться дослідження в цій області в рф? – створенням квантових машин наша країна зайнялася лише років дев’ять тому. І першими це зробила лабораторія надпровідних матеріалів ніту»місіс”. У 2013 році ми зробили первинні вимірювання отриманих в німеччині кубітів (кубіт – елемент надпровідникової мікросхеми, зроблений з надпровідника – тонких плівок алюмінію). Тим самим випробували нашу вимірювальну систему – а вона сама по собі штука складна. У 2015-му за сприяння мфті і російського квантового центру виготовили перші вітчизняні кубіти. Їх випробування надзвичайно важкі: вони протікають при низьких температурах – в частки градуса вище абсолютного нуля. Для цього було потрібно дуже складне і дороге обладнання, зокрема кріогенна техніка, що забезпечує роботу надпровідникових квантових бітів. Ми закупили її за кордоном завдяки мегагранту уряду рф. У 2016 році з ініціативи росатома і фонду перспективних досліджень був даний старт проекту, мета якого – побудувати перший в рф надпровідниковий квантовий процесор. Завдання дуже серйозна, що зажадала залучення сил багатьох фахівців. Проектування та вимірювання взяв на себе місіс, а технологію виготовлення надпровідникових мікросхем-бауманка. Процесор заробив і показав відмінний результат. Так до 2019 року ми практично вийшли на світовий рівень. Це підтверджують публікації наших статей в провідних зарубіжних журналах групи nature і physical review. У росії зараз прийнята “дорожня карта” розвитку і просування квантових комп’ютерів. Її мета – до 2024 року отримати квантові процесори з 30 і більше кубітів. Але щоб продовжувати нарощувати потужність, необхідні дуже істотні інвестиції, порівнянні з зарубіжними.

– як вийшло, що важке амбітне завдання вирішують в основному три московських університету? – виявилося, що для вирішення цього завдання у вузів є і знання, і кадри. Спочатку ми отримали підтримку уряду (у вигляді мегагранта), потім гранти декількох фондів. У мене, скажімо, був грант рнф, що мав продовження. І зараз фонд погодився фінансувати створення в місіс лабораторії світового рівня. Велику підтримку багато років нам надає ркц. Проект, здійснюваний разом з мфті, передбачає розробку нових напрямків, пов’язаних з квантовими пристроями на надпровідниках.

– як буде працювати квантовий комп’ютер у вашому виконанні? – проблема не в тому, щоб зробити надпровідникові мікросхеми в кілька десятків кубітів. Це не складає особливих труднощів. Головне, щоб завдяки надійності конструкції і високій якості кубітів машина безпомилково працювала якомога довше. Ми використовуємо так звані квантові симулятори і з їх допомогою випробуємо можливості побудови великих квантових систем. Як з конструктора “лего”, збираємо з кубітів складні квантові моделі. Поки квантовий комп’ютер на надпровідниках може стабільно працювати протягом дуже короткого часу-менше тисячної частки секунди. Після цього розрахунок повторюється багато тисяч разів і результати усереднюються. Одна з головних наших проблем-навчитися ефективно управляти цими машинами. Добиваємося цього завдяки дуже коротким імпульсам мікрохвиль. Їх, в свою чергу, необхідно генерувати за допомогою точного і дорогого обладнання.

– ви розробляєте складну техніку, що володіє незвичайними можливостями, а буде кому її обслуговувати? 8>–>- так, це новий напрямок науки і техніки – ми називаємо його квантовою інженерією. Фахівці, в ній зайняті, повинні володіти значними знаннями у фізиці, електроніці, програмуванні… В недалекому майбутньому ці пристрої дадуть величезну економічну вигоду, тому більшість розвинених країн, китай наприклад, вкладають колосальні кошти в розвиток цієї області.