Кто лидирует в мировой гонке квантовых технологий, как реализуются российские «квантовые» дорожные карты и чем Академия помогает популяризации науки в регионах — InScience.News рассказывает, о чем говорили на заседании Президиума РАН.
Первым на заседании выступил президент РАН Александр Сергеев с рассказом о современном состоянии и перспективах развития квантовых технологий в Российской Федерации. Основными направлениями работы в области квантовых технологий служат создание квантовых сенсоров и вычислителей и реализация квантовых коммуникаций.
В привычном представлении информация в виде набора нулей и единиц, однако квантовые технологии позволяют каждый квантовый бит – кубит – записать как некоторое распределение состояний, лежащих между 0 и 1. Такой метод позволяет хранить гигантские объемы информации и за секунды проводить вычисления, на которые у современных суперкомпьютеров уходят годы.
На основе квантовых компьюторов могут быть реализованы проекты по поиску новых лекарств, разработке новых материалов для авиации космонавтике, а также создание искусственного интеллекта нового поколения. Квантовые сенсоры позволяют производить высокочувствительные измерения пространства, времени и состояний. На их основе будут созданы самые точные часы и определители геолокации. С помощью технологии квантовых коммуникаций будет налажена сеть максимально безопасной передачи информации на большие расстояния, за счет будет достигнута информационная безопасность страны.
В 2019 компания Google представила процессор Sycamore из 53 кубитов, который за 3,5 минуты решал задачи, на которые у мощнейшего на тот момент японского суперкомпьютера Fugaku из 158 976 процессоров ушло бы несколько лет. В марте 2021-го года компания Honeywell создала рекордно-мощный на данный момент ионный квантовый компьютер из 512 кубитов. В таком устройстве кубиты представляют собой ионизованные атомы, которые удерживаются и управляются посредством электромагнитных полей и лазерных импульсов. В отличие от квантовых вычислителей Google, в ионном компьютере каждый кубит связан со всеми остальными, а не только не только с ближайшими четырьмя соседями.
Академик РАН Геннадий Красников проанализировал бюджет, который вкладывают в развитие квантовых технологий разные страны. Ведущее место в списке занял Китай, вкладывающий более 15 млрд долларов. В России на развитие кванттеха заложен бюджет в размере 23 млрд рублей. Сейчас в стране существует только двухкубитный универсальный вычислитель и несколько 24-кубитных симуляторов, разработанных под определенные задачи. Основной целью проекта развития квантовых технологий было поставлено сократить имеющийся на данный момент разрыв с США, оцениваемый в 7-10 лет, до двух—трех лет.
«Для сокращения существующего разрыва, при условии постоянного развития конкурентов, большие надежды возлагаются на научный прорыв в области создания принципиально новых материалов для сверхпроводящих платформ и поиск нетрадиционных путей решения, существующих на данный момент недостатков квантовых технологий», — Николай Колачевский, член-корреспондент РАН.
Также к концу 2024-го года планируется создать 100-кубитный универсальный вычислитель. Представитель физического факультета МГУ отметил, что в университете уже разработан фотонный чип, на базе которого будет создан в конце года 50-кубитный вычислитель, а в конце следующего года 50-кубитный вычислитель будет создан и на базе нейтральных атомов и ловушек.
Для достижения поставленной цели были разработаны три дорожные карты развития под руководством госкомпаний. Росатом взял на себя создание квантовых вычислителей, РЖД ответственен за квантовые коммуникации, а Ростех занимается квантовыми сенсорами. От представителей РАН требуются консультации по фундаментальным исследованиям в области квантовых технологий и проверка научно-технических отчетов, представляемых госкомпаниями.
Заместитель министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ Максим Паршин рассказал о финансировании дорожных карт по развитию квантовых технологий в России. Правительство выделило на реализацию дорожных карт 23,7 млрд рублей по квантовым вычислениям и 16,7 млрд рублей по квантовым коммуникациям. Разработка квантовых сенсоров требует около семи миллиардов рублей, но была временно отложена.
Представители разных научно-исследовательских центров, занимающихся квантовыми технологиями, поделились данными о сегодняшней ситуации в сфере. Так, по словам генерального директора Научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Сергея Донченко, на сегодняшний день в России разработаны и реализованы отечественные технологии для создания атомных стандартов времени и частоты для квантовых часов и стандарты частоты для навигации и научных исследований в области темной материи.
Исполняющий обязанности директора ФИЦ Казанского научного центра РАН Алексей Калачев выступил с докладом о достижениях в области квантовых коммуникаций. На сегодня в России разработаны и проверены методы квантового распределения ключей безопасности в существующих линиях связи. Были протестирован способ передачи сигналы в атмосфере через квадракоптеры и идет разработка проекта передачи квантовой информации через спутники.
Профессор РАН, заведующий отделом Математического института им. Стеклова РАН Александр Печень рассказал о проблеме квантовых вычислителей. Оказалось, что при передаче, обработке и измерении квантовой информации неизбежно возникают шумы и ошибки. Существует специальный квантовый код, позволяющий редактировать эти ошибки. Это реализуется путем кодирования одного логического кубита несколькими физическими. Например, один кубит в вычислении может быть представлен 13 ионами в ионной ловушке. Однако, кубиты этого редактирующего элемента тоже неидеальны, что значит, что они также будут добавлять ошибки в вычисления. К счастью, исследователи выяснили, что если ошибка каждого отдельного элемента ниже некой критической величины, то можно выявить и исключить отклонения от исходных значений и проводить сколь угодно длинные квантовые вычисления.
Директор ИРЭ им. Котельникова РАН, член-корреспондент РАН Сергей Никитов рассказал о направлении квантовых технологий, использующих спиновое состояние электрона, то есть направление его вращения. Например, на атомах фосфора было показано, что хранение и извлечение информации возможно благодаря обмену электронных и ядерных спинов под воздействием СВЧ-излучения.
Директор научно-образовательного центра "Функциональные микро-наносистемы МГТУ им. Баумана" Илья Родионов рассказал о проблеме недостатка высококачественных материалов, необходимых для создания квантовых чипов. Чтобы реализовывать новые прорывные проекты, нужно стремиться к тому, чтобы у нас создавался план, изготавливались чипы и реализовывались квантовые системы.
Ближе к середине заседания слово предоставили представителям госкомпаний, взявшихся за развитие квантовых технологий в России. Директор по цифровизации Госкорпорации Росатом Екатерина Солнцева подтвердила готовность Росатом сотрудничать с РАН и сообщила, что компания планирует заранее разработать план развития после 2024 года.
Начальник департамента квантовых коммуникаций РЖД Артур Глейм рассказал о реализации соглашения по развитию квантовых коммуникаций между правительством РФ и ОАО РЖД. В рамках дорожной карты было выделено четыре основных направления работы: создание магистральных квантовых сетей, создание космических сетей коммуникации, квантовый интернет вещей и квантовая оптика. В рамках бюджетного финансирования в первую очередь будут реализованы магистральные сети и космические системы.
Эксперт отметил, что есть направление квантовых технологий, в котором России не нужно догонять другие страны. По качеству сверхпроводниковых однофотонных детекторам, необходимых для передачи данных на большие расстояния, РФ сейчас занимает ведущее место. Все рекорды по передаче квантовых ключей на дальние расстояния были поставлены с использованием наших детекторов. Для передачи на самое большое расстояние – 7600 км от Китая до Австрии – китайские исследователи заказали пять существовавших на тот момент детекторов и российский оказался среди них лучшим. Тем не менее в США и Китае уже появились компании-конкуренты, что говорит о необходимости удерживать первенство в данной сфере.
Завершилось заседание отчетами региональных представителей РАН. Задачей представительств была популяризация науки и помощь научному сообществу в городах России. По словам представителя из Ульяновской области, с момента основания представительства РАН в 2017 году в регионе было реализовано более 100 фундаментальных и прикладных исследований и опубликовано 117 статей. Для системы здравоохранения региона были разработаны модели распространения коронавирусной инфекции и количества вакцинаций. В рамках проекта сохранения идентичности Ульяновской области, были написаны методички об истории города и разработаны планы археологических исследований.
Особое внимание представитель РАН уделил помощи школам. Губернатор области выделил более 10 млрд рублей на каждую школу программы для оснащения научным оборудованием. В гимназии №1 построили обсерваторию, в лицей №20 закупили транспорт для того, чтобы школьники могли посещать предприятия, а для лингвистической гимназии закупили лингво-лабораторию. Также представительство приглашало ученых из других городов для общественных лекций.
Представитель Самарской области Ярослав Ерисов рассказал о создании исследовательских центров в областях агропромышленности и биоинженерии. В рамках международно-технического сотрудничества представитель поделился результатами российско-китайского проекта по созданию новых материалов с заданной структурой. Для поддержки школ Самары и Тольятти также организовывались открытые лекции и был основан центр для одаренных детей «Вега».
В пяти финансируемых РАН в Башкирии школах программы из 551 выпускников 2019-2020-го учебного года в российские и зарубежные вузы поступили 531. 350 учеников участвовали в российских и международных конференция и 52 из них стали победителями, а 236 заняли призовые места, отметил представитель академии, сенатор Рафаэль Зинуров. Также был учрежден центр для одаренных детей «Аврора».
Евгений Савченко рассказал о проделанной за 2020‑ый год работе в Белгородской области. Представительство координировало школы, занималось проведением научных мероприятий и помогало взаимодействию между различными вузами и научными организациями.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
