Белый дом представил национальную стратегию Quantum Information Science (QIS), направленную на закрепление глобального лидерства в «очередной технологической революции».

Как говорится в заявлении Национального научно-технического совета при Управлении по науке и технике Белого дома, стратегия QIS – охватывающая квантовые процессоры, датчики, материалы, вычисления, алгоритмы и системы кибербезопасности – отражает возможности США в части «улучшения индустриальной базы, создания рабочих мест и обеспечении себе преимуществ с точки зрения экономики и национальной безопасности».

«Администрация Трампа с помощью QIS намерена поддерживать и укреплять американское лидерство, с тем чтобы обеспечить себе будущие долгосрочные выгоды и защитить научные и технологические достижения, полученные благодаря исследовательской работе», – подчеркнули в совете.

Стратегия содержит ряд рекомендаций, направленных на закрепление ведущих позиций США в этой области. Для этого нужны: научный подход к исследованиям и понимание того, что прогресс достижим на горизонте как минимум в десять лет; подготовка специалистов для организации будущих квантовых вычислений с внесением соответствующих коррективов в систему начального образования; усиление вовлечения предприятий отрасли; поддержка критически важной инфраструктуры, а также углубление международной кооперации с единомышленниками в промышленности и государственными партнерами.

«Для того, чтобы сохранить и расширить американское лидерство в этой критически важной технологии, мы должны улучшить свой потенциал в области передовых исследований и разработок, подготовить специалистов, соответствующих требованиям QIS и скоординировать усилия правительства, академических институтов и предприятий частного сектора», – говорится в заявлении совета.

На презентации новой стратегии в Вашингтоне присутствовали представители компаний Alphabet, IBM, JPMorgan Chase, Lockheed Martin, Rigetti, Intel и Goldman Sachs, академических институтов, Пентагона, АНБ, Совета национальной безопасности Белого дома, НАСА и ряда других федеральных управлений.

В настоящее время Конгресс США разрабатывает законопроект о рассчитанной на десять лет Национальной квантовой инициативе. Предполагается, что на финансирование исследований и образовательных программ будет выделено 1,3 млрд долл.

Законопроект был одобрен палатой представителей, но есть опасения, что обсуждение инициативы в Сенате затормозится, и до промежуточных выборов в ноябре ее утвердить не удастся.

Чтобы сохранить конкурентоспособность в области квантовых вычислений, Соединенным Штатам нужно действовать быстрее. В докладе Центра новой американской безопасности утверждается, что Китай претендует на ведущие позиции в квантовой науке и намерен обойти США несмотря на относительно позднее вступление в схватку.

«Эту гонку мы должны выиграть», – заявили в начале текущего года председатели комитетов по науке Белого дома и Сената США.

Минэнерго США объявило о выделении на реализацию 85 исследовательских проектов QIS 218 млн долл.

Проекты, распределенные между учеными девяти лабораторий министерства и 28 вузами, предусматривают разработку оборудования и программного обеспечения для нового поколения квантовых компьютеров, открытие новых материалов со «специальными квантовыми свойствами» и изучение того, каким образом квантовые вычисления могут пролить свет на темную материю и черные дыры.

Уже в этом году на исследования будет выделено 73 млн долл. Остальное зависит от одобрения Конгресса.

«Инициатива Quantum Information Science должна помочь нам закрепиться на следующем рубеже в нынешний информационный век, – указал министр энергетики США Рик Перри. – В эпоху жесткой международной конкуренции эти инвестиции обеспечат устойчивость положения США в области, которая определит будущее обработки информации в долгосрочной перспективе и позволит создать множество новых технологий, приносящих пользу нашей экономике и обществу».

Национальный научный фонд США также объявил о выделении финансирования в размере 31 млн долл. для проведения фундаментальных исследований. Большая часть этих денег пойдет на реализацию проектов создания систем и проверки концепции квантовых датчиков, средств связи, вычислений и моделирования.

Оставшееся предполагается потратить на исследования в области масштабируемых квантовых систем связи.

«Квантовая революция расширяет возможности технологий завтрашнего дня, – подчеркнула директор Национального научного фонда Франс Кордова. – Исследования, проводимые при поддержке фонда, должны углубить наше понимание квантовой механики и способствовать применению этих знаний для создания приложений, меняющих мир. Новые инвестиции... создают условия для подготовки следующего поколения специалистов по квантовым вычислениям».

Исследователи, ученые, преподаватели, энтузиасты, предприниматели – все эти категории представлены в сообществе Qiskit, разрабатывающем на базе программы квантовых вычислений корпорации IBM платформу с открытым кодом, которая должна предоставить всем желающим доступ к реальным квантовым вычислениям в облаке.

Платформа Qiskit (Quantum Information Science Kit) существует уже больше года. Она стала преемником программы IBM Quantum Experience (сокращенно IBM Q Experience), в рамках которой квантовые компьютеры перемещались в облако (впервые), а исследователи и разработчики могли осваивать совершенно новую для себя сферу вычислений.

С момента открытия Q Experience энтузиасты создавали игры и сочиняли музыку с применением реальных квантовых компьютеров, а ученые и исследователи использовали кубиты для решения задач, которые ранее считались очень сложными.

«По сути, Q Experience – это интерфейс API, позволяющий людям отправлять задания на выполнение на реальное квантовое оборудование, – пояснил инженер-исследователь IBM Али Джавади. – Для простоты выражения используется интерфейс Python, который существенно расширен по сравнению с первоначальной версией. Конечная цель заключается в том, чтобы предоставить доступ к квантовому компьютеру группе очень разных людей».

По понятным причинам платформа Quantum привлекла внимание широкого круга специалистов в этой области. Это совершенно новый опыт, и никто, даже в IBM, не знает, к чему приведут соответствующие квантовые эксперименты. Говоря упрощенно, в отличие от традиционного метода вычислений, при котором бит данных может находиться в одном из двух состояний – 1 или 0 – квантовые биты (или кубиты) находятся в обоих состояниях одновременно.

«Разработчики могут писать квантовые программы наряду с учеными, являющимися специалистами в какой-то конкретной узкой области и использующими высокоуровневые библиотеки для создания, например, приложений квантовой химии или проведения квантовой оптимизации, – указал Джавади. – Вычислительные задачи такого рода очень трудно решить на классическом компьютере, и мы убеждены в том, что первым применением квантового компьютера должно стать ускорение решения сложных задач в определенных сферах. Представленная нами недавно библиотека Qiskit Acqua должна помочь этим людям, не погружаясь глубоко в область квантовых вычислений, использовать их в качестве ускорителя при решении сложных задач. Кроме того, они смогут поближе познакомиться с тем, что предлагают квантовые вычисления».

Джавади получил образование в области информатики, а конкретно – квантовых компиляторов. Одна из ближайших задач квантовых устройств связана с тем, что имеющиеся ресурсы весьма ограничены, будь то число кубитов или количество операций, выполняемых над этими кубитами. Компиляторы принимают входные данные от пользователей и оптимизируют их в соответствии с объемом доступных ресурсов для получения наилучшего результата.

«В последние пять-шесть лет мы стали свидетелями действительно быстрого прогресса в квантовой сфере, – подчеркнул Джавади. – К этой области проявляется большой интерес. Дело в том, что речь идет о совершенно иной модели вычислений, точную мощность которой еще только предстоит определить. Исследования должны помочь нам понять, для решения каких задач она подходит. Одним из приятных побочных эффектов предоставления большому количеству людей доступа к этим устройствам является то, что у них появится возможность запускать свои собственные программы и проводить необходимые вычисления. Предоставив людям желаемый доступ, мы можем совершить множество открытий. В силу вступает мудрость толпы».

Сюда отлично вписывается элемент с открытым кодом. Помимо научных приложений предприятия могут быть заинтересованы в использовании квантовых вычислений для оптимизации сложных математических моделей, связанных, например, с функциями затрат. Компании начинают изучать, каким образом квантовые технологии и Qiskit могут удовлетворить их потребности.

С момента запуска Qiskit в 2017 году Джавади говорил, что успех взаимодействия с сообществом застал многих людей врасплох.

«По моим оценкам, подписку на сервис IBM Q Experience уже оформили около 90 тыс. человек и свыше 90 тыс. загрузили Qiskit, – заметил он. – В общей сложности через API было отправлено более 5 млн заданий для Qiskit в облаке. Нас радует, что проект Qiskit реализуется с открытым кодом, благодаря чему свой вклад в него вносит много внешних исполнителей. Число участников сегодня достигает 70 человек. Конечно, многие из них работают в IBM, но свои изменения в программное обеспечение с открытым кодом привносят и сторонние разработчики».

Сообщество регулярно публикует статьи – в настоящее время количество публикаций о Qiskit, представленных в той или иной форме, уже достигло 120 – а также проводит учебные состязания в рамках программы IBM Q Awards. Сюда относятся конкурсы на лучшие курсы обучения квантовой механике с использованием Qiskit и лучший учебник по квантовым вычислениям на базе этой платформы.

«Мы получаем действительно хорошие материалы, – подчеркнул Джавади. – Победители собираются писать свой код, и это будет способствовать дальнейшему укреплению сообщества».

Шумиху (зачастую непостижимую) вокруг квантовой механики было бы проще понять, если бы ею сопровождались какие-то развлекательные проекты вроде игр или музыкальных композиций. При этом Джавади подчеркнул, что предлагаемый Q Experience доступ оказывает чрезвычайно важное влияние на всю исследовательскую отрасль.

Еще лет пять тому назад проведение квантовых экспериментов предполагало возню с устройствами и проводами в лаборатории. Альтернативным вариантом являлось использование имитационного моделирования при демонстрации ожидаемой работы квантовой механики. Сегодня же практически каждый может получить доступ к реальному квантовому устройству в облаке.

«Сегодня процессы уже вышли за пределы лаборатории, – пояснил Джавади. – Устройства доступны в Интернете, и все то же самое можно выполнить, направив скрипт Python. Посещать лабораторию для этого вовсе не обязательно. В широком смысле речь идет о любимой для меня теме, которая действительно полезна для науки и способствует научному прогрессу в целом. Кроме того, это помогает воспроизводить полученные результаты. Если ранее, к примеру, кто-то объявлял об открытии базовых эффектов квантовой механики, проверить это было невозможно. Теперь же достаточно еще раз запустить тот же самый код, и все желающие могут убедиться в справедливости сделанных заявлений самостоятельно».

Очевидно, что захватывающая новая область находится еще в самом начале своего становления, а исследователи только начинают открывать применения для квантовых вычислений. Но уже сейчас виден огромный потенциал для дальнейшего роста и будущих открытий.

«У нас появилась надежда, – заметил Джавади. – За последние несколько лет исследуемое поле наполнилось новой положительной энергией – если взглянуть на пространство квантовых алгоритмов, были сделаны очень важные открытия в том, что мы можем делать с квантовым компьютером. Область эта развивается очень быстро, и в ближайшие десять лет нас ждет много всего интересного. Я действительно надеюсь, что академическое сообщество будет использовать инструменты, которые не были доступны, даже в мои аспирантские времена – что было не так давно, каких-то лет пять назад. Никаких подобных инструментов еще не существовало. Когда мне хотелось изучить какой-то конкретный эффект, приходилось выстраивать модель на ноутбуке, но теперь соответствующие устройства доступны, и для них уже созданы необходимые инструменты, в частности, Qiskit. Отличная возможность для проведения исследований и конкретизации изучаемой концепции – фактически мы получаем исполняемый код с его просмотром в действии».

Стратегическое направление технологии, по определению аналитиков Gartner — это направление, обладающее высоким прорывным потенциалом, и либо уже выходящее в широкое применение, либо быстро растущее, динамичное и, по мнению аналитиков, способное достичь критической точки в ближайшие пять лет. Различные сочетания стратегических технологий создают новые революционные возможности. Аналитики указывают на десять таких технологий, способных сыграть самую важную роль в 2019 году.

Автономные вещи — роботы, дроны и автономные транспортные средства с помощью искусственного интеллекта (ИИ) автоматизируют работу, ранее выполнявшуюся людьми. Эта автоматизация шире той, что способны обеспечить программные модели, и автономные вещи естественно взаимодействуют с окружающей средой и людьми. Аналитики ожидают перехода к взаимодействию между автономными вещами — например, при доставке товаров по цепочке.

Дополненная аналитика — одна из областей дополненного интеллекта. В ней с помощью машинного обучения автоматизируется процесс подготовки данных и генерации и визуализации выводов результатов анализа, что во многих случаях позволяет непрофессионалам самостоятельно проводить анализ данных. Она ведет к появлению «гражданских» специалистов по анализу данных, которые ликвидируют дефицит профессиональных кадров.

Технологии разработки с использованием ИИ уже предоставляют разработчику целую экосистему алгоритмов и моделей ИИ, а также средства разработки, приспособленные для интеграции возможностей ИИ и моделей в собственные решения. Новые возможности для разработки приложений дает применение ИИ к автоматизации исследований, разработки приложений и тестирования. К 2022 году, считают аналитики, как минимум в 40% новых проектов разработки приложений будут участвовать ИИ.

Цифровые двойники — это цифровые представления реальных объектов или систем, строящиеся на основе данных с датчиков. Через пару лет, полагают аналитики, в мире будут созданы миллиарды цифровых двойников, сначала простых, а затем все более сложных, вплоть до двойников целых организаций со всеми их бизнес-процессами.

Повышение мощности «края» — конечных устройств, используемых людьми или встроенных в окружающий мир. Обработка данных перемещается с центральных серверов на края облака. Специализированные процессоры ИИ, увеличенная память и другие ресурсы появятся у многих краевых устройств. При этом гетерогенность встраиваемых систем Интернета вещей и длительных жизненных циклов промышленные системы, создадут серьезные проблемы управления. Связь будет развиваться за счет технологий 5G.

Технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальности изменяют само восприятие людьми цифрового мира. Они ведут к созданию иммерсивного взаимодействия, по многим каналам и способам одновременно. Тогда все окружающее пространство становится «компьютером».

Блокчейн, или технология распределенного реестра, все еще плохо понимается и не оправдывает себя в масштабной работе бизнеса, отмечают аналитики. Многие проекты не используют все возможности блокчейна — например, распределенную базу данных. Но потенциал технологии очень высок, и руководителям ИТ нужно начинать с ней знакомиться, считают аналитики.

Интеллектуальные пространства — это физические или цифровые среды, в которых люди и системы взаимодействуют во все более открытых, взаимосвязанных, скоординированных и интеллектуальных экосистемах. Это направление привело к созданию умных городов, цифровых рабочих мест и умных домов. Аналитики считают, что такие интеллектуальные пространства станут неотъемлемой частью повседневной жизни.

Цифровая этика и защита личных данных становится все более важной темой развития технологий. Доверие основывается не только на безопасности и защите данных, отмечают аналитики. Доверять — значит верить в истинность утверждений без доказательств, а это уже этическая проблема. Поэтому позиция организации в вопросах защиты данных должна определяться более широкой позицией в вопросах этики, считают аналитики.

Технологии квантовых вычислений, способные решать задачи, слишком сложные для современных вычислительных методов, пока находятся на начальном этапе развития. Но, как полагают аналитики, уже пора начинать задумываться об их применении. Впрочем, ожидать практических результатов раньше 2023-2025 года не следует.

«Ростелеком» внедрит технологии технологий квантовых коммуникаций в свою сеть. Для создания ключей шифрования будут использоваться отдельные частицы – фотоны. Если хакеры попытаются совершить несанкционированный доступ и «поймать» фотоны, на основании состояния которых генерируются квантовые ключи, то характеристики частиц изменятся и попытка перехвата будет пресечена, рассказали в операторе.

В июле прошлого года российские физики создали первый квантовый компьютер на базе 51 кубита. Подобные вычислители смогут справляться с задачами, с которыми не могут совладать компьютеры традиционной архитектуры. Вычислительные элементы квантовых компьютеров построены на основе квантовых объектов, способных находиться в суперпозиции нескольких состояний, что позволяет им одновременно, за один такт, делать сразу множество вычислений.

В 2019 году «Ростелеком» организует тестирование многоузловой сети передачи данных с использованием квантового распределения ключей. Оператор проведет испытаний и демонстрацию возможностей квантовых коммуникаций потенциальным клиентам. При создании тестовой сети в приоритете будут отечественные производители оборудования.

Физики МТИ, Гарварда и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли объявили в Nature о создании металла с необычными свойствами — он представляет собой электропроводящий кристалл из слоев атомов железа и олова со структурой, аналогичной корзинам, сплетенным по японской технике кагоме.

Исследователи обратили внимание, что при пропускании тока через такой кристалл электроны проходят через него не по прямой, а по изгибающимся траекториям и не теряют энергии, демонстрируя пространственный аналог квантового эффекта Холла. Это необычное поведение заряженных частиц сохраняется при комнатной температуре и выше, подчеркивают исследователи. По их словам, электроны в «металле кагоме» подвергаются действию не только магнитных полей атомов, но и квантово-механических сил, возникающих в решетке, что можно будет использовать для создания материалов, проводящих ток без сопротивления, подобно сверхпроводникам.

Ученые добавляют, что если удастся освоить синтез материалов на основе двумерных решеток кагоме, их можно было бы применять для создания систем с нулевыми потерями энергии, в том числе ЛЭП и трактов передачи данных для квантовых компьютеров.

Потенциал квантовых компьютеров интересует исследователей прежде всего в связи с возможностью нескольких квантовых битов – или кубитов – демонстрировать то, что называется «квантовой запутанностью». Этим уникальным свойством кубиты отличаются от классических битов.

Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института сравнивает квантовую запутанность с причудливой книгой, в которой информация не записана на страницах, а определяется их корреляцией, в связи с чем все страницы необходимо читать одновременно.

Состояние запутанности описывает взаимодействие спинов кубитов: хотя конкретная направленность двух спинов может быть неизвестна (находится между нулем и единицей), известно, что они являются разнонаправленными. Оказавшись в запутанном состоянии, при повторном измерении спины сохраняют его вне зависимости от того, насколько далеко друг от друга находятся (пусть даже речь идет о расстояниях масштаба спутниковых орбит).

«Получение доступа к квантовым состояниям запутанности является ключом к использованию высочайшей вычислительной мощности квантовых систем, – подчеркнул профессор Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) Андреа Морелло. – В контексте квантовых вычислений запутанные состояния формируют компьютерный код, не имеющий ничего общего с классическим, поскольку способа записи в настольный компьютер кода, в котором значения двух битов не определены, но при этом противоположны, просто не существует. А в квантовом компьютере такое возможно, и чем большим числом кубитов вы располагаете, тем больше становится запутанных кодов квантового компьютера. По мере роста числа кубитов их объем увеличивается экспоненциально».

Запечатлеть то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», в реальном квантовом компьютере невероятно сложно. На практике запутанные состояния крайне неустойчивы и легко разрушаются в результате внешнего воздействия.

В настоящее время исследователи из Университета Нового Южного Уэльса приступили к реализации важного этапа в инженерном проектировании запутанности – созданию кремниевого чипа с двумя взаимодействующими кубитами.

«Наблюдать за этим было очень интересно, – заметил один из соавторов исследования Мэтью Брум, который ранее работал в Университете Нового Южного Уэльса, а теперь перебрался в Университет Копенгагена. – Если спин одного электрона направлен вверх, то другого – непременно вниз, и наоборот».

«Это очень важная веха в истории развития технологий, – подчеркнул Брум. – Корреляция спинов подобного рода – предшественник состояний запутанности, которые нужны квантовому компьютеру для функционирования и выполнения сложных вычислений».

Оспаривание теории

Команда из Университета Нового Южного Уэльса, возглавляемая профессором Мишель Симмонс, директором исследовательского центра Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, создавала свои кубиты, размещая отдельные атомы фосфора на кремнии с очень высокой точностью. В качестве кубита использовался спин электрона такого атома фосфора.

Предложенный метод открывает весьма многообещающие перспективы для будущих кубитов, поскольку исследователями было продемонстрировано необычайно долгое (по крайней мере, с квантовой точки зрения) время релаксации и дефазировки, составившее около 30 секунд.

«Поместив атомы фосфора в кремний при создании кубита, мы приступили к прямому измерению волновой функции атома с помощью сканирующего зонда, который указывал точное физическое местоположение атома в чипе, – сообщила Симмонс, ставшая обладательницей премии 2018 Australian of the Year. – В результате мы стали первыми в мире, кому удалось увидеть, где находятся кубиты».

Сканирующий туннельный микроскоп показывает волновую функцию электрона кубита, сделанного из атома фосфора, и его точное местоположение в кремнии.

«Наше конкурентное преимущество состоит в том, что мы можем помещать высококачественный кубит в нужное место чипа и наблюдать за тем, что происходит, проводя соответствующие измерения, – пояснила Симмонс. – Разместив рядом еще один кубит, мы стали анализировать характер взаимодействия двух волновых функций. После этого можно будет приступать к воспроизведению копий ранее созданных устройств».

В недавнем исследовании, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications, команда ученых размещала два кубита, один из которых состоял из двух атомов фосфора, а другой – из одного, в кремниевом чипе на расстоянии 16 нм друг от друга.

Взаимодействие соседних кубитов можно контролировать с помощью присоединенных к чипу электродов. Таким образом, квантовые спины их электронов становятся коррелированными.

Основная трудность при построении чипов, включающих в себя несколько кубитов, связана с пониманием того, насколько близко эти кубиты должны располагаться друг от друга для взаимодействия. В соответствии с теоретическими прогнозами, для достижения эффекта корреляции кубиты нужно размещать на расстоянии 20 нм, но в ходе экспериментов выяснилось, что это происходит только на расстоянии 16 нм.

«Для нашего квантового мира это очень большая разница, – заметил соавтор исследования Сэм Горман из Университета Нового Южного Уэльса. – И очень приятно, что мне в качестве экспериментатора удалось оспорить теорию».

Замки из песка

Проведенное исследование стало последним в череде достижений ученых, стремящихся к созданию работоспособного кремниевого квантового компьютера.

Кремний был выбран потому, что представляет собой наиболее устойчивую и простую в изготовлении среду для размещения кубитов, а долгая история использования кремния в обычных компьютерах свидетельствует о том, что в мире накоплен очень большой объем знаний об этом материале.

Предложенный подход вызвал большой интерес и позволил получить финансирование со стороны банка Commonwealth Bank of Australia, компании Telstra, федерального правительства и правительства штата.

В прошлом году Симмонс с коллегами основала первую в Австралии компанию по разработке квантового оборудования – Silicon Quantum Computing. К 2022 году в ней планируется создать коммерческое 10-кубитное демонстрационное кремниевое устройство, которое должно стать «предшественником кремниевого квантового компьютера».