Бауманка запустит первое в России контрактное производство сверхпроводниковых квантовых процессоров

«Ъ-Наука» поговорил с Ильей Родионовым, директором НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» о том, сколько кубитов будет в квантовых процессорах, куда отправятся первые квантовые чипы и сколько таких процессоров сейчас нужно.

— В феврале сооснователь РКЦ, советник главы «Росатома» Руслан Юнусов сообщал, что в стране созданы 20-кубитный квантовый компьютер на ионах и 25-кубитный на атомах, а в ближайших планах — разработка компьютеров на 100 кубитов. А сколько кубитов будет в квантовых процессорах, производством которых займутся в новом кампусе МГТУ имени Баумана?

— Одно только количество кубитов в квантовых компьютерах на любой физической платформе ничего не говорит об их качестве или производительности. По этому поводу делается много заявлений, зачастую не подкрепленных научными публикациями или техническими деталями. Для незнакомых с квантовыми технологиями людей это может показаться прямым сравнением, но это не так. Помимо собственно количества всегда необходимо учитывать точности однокубитных и двухкубитных операций между каждой парой кубитов (из них складывается квантовый алгоритм) и точность считывания их состояний, а также количество кубитов сопроцессора, которые могут быть эффективно запутаны (максимально возможное GHZ-состояние). Напомню, что вся мощь квантовых компьютеров является следствием управляемого запутывания большого количества кубитов в состояниях суперпозиции. Именно совокупность этих параметров определяет «производительность». Таким образом, пятикубитный компьютер с высокой связанностью кубитов и точностью операций (выше 99%) может оказаться гораздо производительнее и полезнее, например, 16-кубитного. А, например, 20-кубитный квантовый компьютер с точностью двухкубитных операций менее 97% бесполезен даже для простых тестовых квантовых алгоритмов. Слишком велика ошибка. Серийная технология, о которой мы говорим сегодня, основана на сверхпроводниковой платформе. Кубиты здесь — это искусственные атомы на основе алюминиевых наноструктур, которые при особых условиях — охлаждении до криогенных температур (ниже минус 273 °С) — переходят в состояние сверхпроводимости и могут использоваться для проведения квантовых вычислений.

За прошедшие восемь лет в нашем центре (НОЦ ФМН — совместный центр Бауманки и ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова») разработана серийная технология создания таких сверхпроводниковых интегральных схем (чипов). Параметры ключевых изготавливаемых на их основе квантовых устройств — а это квантовые сопроцессоры и симуляторы, криогенные усилители для считывания сигналов, квантовые сенсоры — соответствуют лучшим мировым аналогам. Однако сегодня мы ограничены возможностями оборудования, приобретенного более десяти лет назад для исследовательских задач. После оснащения и запуска кластера «Квантум парк» в новом кампусе МГТУ им. Н. Э. Баумана мы планируем выпускать квантовые сопроцессоры с 20–50 кубитами к 2027 году, а к 2030 году — со 100–500 кубитами. При этом чипы могут быть объединены в распределенные квантовые вычислители с кратным увеличением количества кубитов. Это значит, что для решения сложных задач будут использоваться сразу несколько квантовых процессоров, работающих параллельно.

Опыт создания многокубитных вычислителей среднего масштаба у нас есть: технологии 2-, 5-, 11- и 25-кубитных симуляторов нам удалось продемонстрировать еще в 2019–2020 годах в рамках проекта Фонда перспективных исследований. Работа выполнялась ФГУП ВНИИА с привлечением широкой кооперации соисполнителей, включая МИСиС, МГТУ, МФТИ, ИФТТ, НГТУ и РКЦ. Квантовые симуляторы в проекте ФПИ — это многокубитные системы, которые позволили имитировать реальные квантовые системы, их динамику и предсказать их поведение. Симуляторы дают возможность управлять объектами таких систем и контролировать их, подстраивать взаимодействие между ними. В реальных системах это практически невозможно. Развитие квантовых вычислений в России вообще во многом заслуга фонда, который, начав более десяти лет назад, системно за несколько лет развил практически все ведущие платформы.

— На какую мощность будет рассчитано производство? Сколько квантовых процессоров в год оно сможет выпускать? Насколько это покрывает потребности страны — сколько таких процессоров сейчас нужно, сколько понадобится в перспективе?

— Технологический комплекс «Квантум парк» рассчитан таким образом, чтобы к 2030 году полностью удовлетворить запрос российских бигтехов, научных институтов и исследовательских групп по отдельным видам сверхпроводниковых квантовых устройств.

Мы прогнозируем рост потребности в чипах в пределах 20–35% в год с учетом амбиций различных государственных программ и исследований крупных компаний, реализуемых сегодня в России. К 2027 году планируем выпускать от нескольких сотен до тысяч чипов в год, количество здесь определяется размером этих устройств и их количеством на пластине соответственно.

К 2030 году, когда подключится бигтех и спрос вырастет, увеличим ежегодный выпуск в несколько раз. Выход годных у нас сейчас в пределах 95%, что очень выгодно выделяет нас в мире для этой технологии, но с запуском нового кластера сможем его увеличить.

Отдельно подчеркну, что развитие отрасли квантовых вычислений в России сегодня осложнено в силу геополитических ограничений. Мы довольно сильно зависим от зарубежного экспериментального и измерительного оборудования: от управляющей электроники до криостатов, где охлаждаются чипы. Это пока «узкое горлышко», над которым активно работают ведущие российские разработчики, убежден, что в скором времени и эти проблемы удастся решить.

— Есть ли у этого производства уже предварительные заказы на квантовые процессоры, на какой срок вперед оно загружено?

— За последние три-четыре года мы получили и продолжаем получать множество запросов на участие в исследовательских проектах, разработку и изготовление квантовых устройств. Речь идет в том числе об обращениях коллег из других стран. К сожалению, несмотря на наше желание участвовать в этих работах, на сегодняшний момент не хватает ресурсов: технологический комплекс загружен на 101% все последние годы, и программа работ в таком режиме прописана до 2030 года — нам критически необходимо расширяться!

— К кому отправятся первые квантовые чипы? Для чего они будут использованы?

— В силу специфики квантовой отрасли и коммерческого характера исследований текущие партнерства у нас защищены NDA (Non-disclosure agreement, соглашение о неразглашении). Деталей пока дать не могу, их озвучат наши заказчики, когда придет время. При этом речь идет об исследованиях и разработках различных технологических платформ, сверхпроводники здесь не одиноки.

Безусловно, значительная часть исследований и разработок в области методов квантовой обработки информации проводится совместной командой с нашим якорным партнером ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова». Области применения очень разные: это алгоритмы для задач оптимизации, материаловедения, систем управления, финансов, нефтяной отрасли и, конечно, медицины.

— Расскажите об экономике производства. Это самоокупаемая история? Планируется ли выход на прибыль, как скоро после запуска это произойдет?

— Кластер «Квантум парк», как и весь бауманский кампус, строит Москва, это региональные и федеральные вложения, которые, безусловно, не будут учитываться в себестоимости будущей продукции. При этом для государства в целом эти инвестиции будут окуплены в течение первых нескольких лет с момента запуска кластера, после чего десятки лет он будет приносить многократную прибыль.

И это очень многогранная история, которая в данном случае складывается из нескольких аспектов.

Во-первых, и это самое главное в случае «Квантум парка», это наши выпускники для реального сектора экономики России. Открытие кластера позволит сформировать новое поколение физиков, инженеров, технологов — специалистов, которые на кончиках пальцев «чувствуют» инновации и имеют опыт работы с самыми продвинутыми технологиями. Междисциплинарными технологиями на пересечении микроэлектроники, нанотехнологий, квантовых технологий, фотоники, биоинженерии, клеточных технологий, которые уже завтра будут направлены в ведущие российские компании. По сути, наши ребята станут фундаментом для новой индустрии в России и следующей научно-индустриальной революции. И это уже та рентабельность инвестиций, оценить или переоценить которую просто невозможно. Во-вторых, прямая прибыль от деятельности — это исследования и разработки, контрактное производство по технологиям завтрашнего дня, российское научное оборудование, высокотехнологичные услуги, сервисные контракты и консалтинг.

Что касается операционных затрат — сегодня три научных центра, которые объединяются в кластере, функционируют в режиме самоокупаемости. Мы планируем масштабировать этот подход, добавляя к нему существенное расширение наших возможностей в плане выполнения внешних высокотехнологичных заказов. Попросту говоря, мы начнем предоставлять внешним партнерам сервисы в области самых передовых технологий, которые сегодня разработаны в МГТУ и ФГУП ВНИИА, обеспечивая возможность десяткам научных коллективов вести их исследования и разработки на мировом технологическом уровне. Вся экономика этих услуг рассчитана так, чтобы, с одной стороны, обеспечить самоокупаемость нашей деятельности и, с другой, добиться для наших заказчиков цен ниже мирового рынка. И ключевой аспект — время. После запуска кластера мы сможем существенно сократить сроки предоставления таких услуг по сравнению, например, с Европой, США или Азией.

В-третьих, это инновационные продукты на новых физических принципах, которые при внедрении позволят государству сэкономить десятки миллиардов рублей, а главное, обеспечат технологический суверенитет по ряду ключевых направлений (ИИ, большие данные, персонифицированная медицина, автономный транспорт). Простой пример — стоимость суперкомпьютера экзафлопсной производительности сегодня составляет десятки миллиардов рублей. По разным оценкам, российским бигтехам и банкам к 2030 году потребуется вычислительная мощность порядка нескольких экзафлопс — в сотни раз больше, чем Россия использует сейчас. Это реальные затраты в десятки-сотни миллиардов рублей, которые необходимо изыскать в экономике страны. Одной из наших целей является создание квантовых сопроцессоров для доведения производительности существующих суперкомпьютеров до экзафлопсной, себестоимость таких гибридных машин будет на порядок ниже. Инвестиции, которые сегодня направляются в новые технологии, должны окупаться для страны в десятки раз — как с точки зрения операционных, так и капитальных затрат. И это лишь один из планируемых к разработке продуктов кластера «Квантум парк».

И, наконец, «Квантум парк» — это инфраструктура и инновационная среда для развития стартапов и проектов бизнеса в области deep-технологий, то есть косвенные доходы через возвращаемые государству налоги от компаний бауманского братства. Все это сегодня вопросы национальной безопасности, и для государства это зачастую больше, чем просто деньги.

— В свете анонса об открытии этого производства можно ли сделать вывод, что технология квантовых вычислений на сверхпроводниковой платформе переходит к широкому коммерческому внедрению?

— Нужно четко понять: пока практически полезных квантовых компьютеров нет. При этом именно сверхпроводники — лидеры в области квантовых вычислений в США, Канаде, Японии, Китае, Великобритании, Финляндии. IBM, стартапы Rigetti Computing, финский IQM, китайский Origin Quantum уже продали несколько своих квантовых компьютеров международным заказчикам.

При этом уже показано большое количество алгоритмов, включая алгоритмы коррекции и смягчения ошибок (quantum error correction, error mitigation algorithms). Те же IBM и Amazon реализуют партнерства с финансовыми гигантами, лидерами в автомобильной, авиационной, нефтехимической отраслях, биотехе. Цель — совместный поиск алгоритмов для использования квантовых процессоров в практической плоскости.

Не забудем и то, что сверхпроводниковые процессоры IBM легли в основу крупнейшей в мире квантовой облачной платформы — в прошлом году количество пользователей IBM Quantum превысило 450 тыс. пользователей. Сверхпроводниковое «облако» есть у Amazon, Alibaba, Токийского университета, над его запуском работает и наша команда. Прототип представим в конце текущего года. Важно помнить, что, когда появятся практические результаты применения квантовых компьютеров, инвестировать будет уже поздно: эти продукты выйдут на рынок и займут свои ниши. Да, риски есть, и они очень высокие, но с инновациями по-другому не бывает.

Важно и то, что сверхпроводниковые устройства имеют широкие перспективы развития и практических применений. Я имею в виду не только собственно квантовые сопроцессоры, но и вычислители на одноквантовой логике, квантовые сенсоры, параметрические усилители с квантовым уровнем собственных шумов для применений в астрофизике.

— Почему такого успеха (коммерческого внедрения) удалось добиться именно со сверхпроводниками?

— У сверхпроводников есть несколько преимуществ. Во-первых, это глубокая проработка физических основ работы сверхпроводящих джозефсоновских устройств, над этой проблемой в мире работают десятки лет. Первые кубиты на этой платформе были экспериментально продемонстрированы еще 25 лет назад — сформирован существенный фундаментальный задел. Во-вторых, это схожесть технологических процессов изготовления сверхпроводниковых квантовых устройств с техпроцессами традиционных полупроводниковых КМОП интегральных схем.

В-третьих, уже сегодня ясно, как масштабировать сверхпроводниковые процессоры, то есть увеличивать количество кубитов, и сохранять при этом высокие параметры качества элементов, точности кубитных операций, смягчения и коррекции ошибок квантовых сопроцессоров. Речь идет как о стандартных (для современной микроэлектроники) методах 3D-интеграции кубитов, так и создании распределенных квантовых сопроцессоров с обеспечением связи chip-to-chip — для их охлаждения, тестирования и функционирования уже создана специальная криогенная техника. Ну и параллельный путь — уменьшение размеров самих сверхпроводниковых кубитов. Над этим сейчас работает весь мир.

— Увидим ли мы аналогичный прогресс по ионам, нейтральным атомам и фотонам? Как скоро это произойдет?

— Ни одну физическую платформу квантовых вычислений, конечно, отбрасывать нельзя. Однако в России сегодня важно, на мой взгляд, четко расставить приоритеты и сфокусировать ресурсы. В мировом масштабе мощнейший задел имеют фотонная и кремниевая платформы, также за последнее время в мире получены интригующие результаты по ионам и атомам в ловушках. С точки зрения готовности производства и применения технологий массового производства интегральных схем, фотоны и кремниевые кубиты вне конкуренции. Крупнейший стартап PsiQuantum, который собрал десятки миллиардов рублей инвестиций за последние пять лет, купил отдельную полупроводниковую фабрику для исследований и разработок в области фотонных квантовых компьютеров. Кремниевую платформу развивает Intel, используя свои 300-миллиметровые фабрики и наработанные годами суб-10 нм технологии классических КМОП интегральных схем. Я считаю, что кремниевая платформа заслуживает особого внимания — у нее колоссальный потенциал развития и масштабирования. Кроме того, для нее критически необходимы специфические изотопы, доступные преимущественно атомной отрасли. А наши атомщики самые продвинутые в мире.

Кстати, фотонная и кремниевая платформы очень близкие нам истории: параллельно со сверхпроводниковыми процессорами мы активно работаем с вычислителями на основе фотонных интегральных схем. Эти устройства требуют создания трех ключевых компонент: источники и детекторы одиночных фотонов, а также фотонные интегральные схемы для их обработки. Нам удалось разработать технологию фотонных чипов с ключевыми параметрами лучше ведущих мировых фабов. Совместно с международными партнерами за прошедшие пять лет мы продемонстрировали один из перспективных типов источников одиночных фотонов с рекордными характеристиками (пока на стадии исследований). Сейчас ведем работу и получили первые результаты по интегральным однофотонным детекторам. Внедрение этих разработок станет возможным сразу после завершения первой очереди оснащения кластера «Квантум парк».

По ионной и атомной реализациям нужно придумать, как их масштабировать — пока это один из критических и ограничивающих факторов. И здесь можно однозначно сказать, что, например, ионы могут получить мощный импульс развития именно благодаря технологиям, используемым сейчас в фотонных и сверхпроводниковых чипах. Не исключено, что где-то на пересечении различных физических платформ и будет найден путь к универсальному квантовому компьютеру.

— В анонсе говорится, что квантовые чипы бауманского производства будут выступать в качестве сопроцессоров в существующих передовых суперкомпьютерах. А почему бы не сделать суперкомпьютер, целиком работающий только на квантовых процессорах? Как скоро начнется промышленное внедрение таких устройств и на какой платформе они будут основаны?

— Да, на текущем этапе мы говорим о том, что квантовые процессоры с любой физической «начинкой» смогут эффективно решать вычислительные задачи только определенных типов. И пока они далеко не столь универсальны, как классические полупроводниковые компьютеры, в ближайшей перспективе нам гораздо целесообразнее двигаться к «гибриду» мощного суперкомпьютера и квантовых сопроцессоров.

В таком гибриде основная часть алгоритмов выполняется классическими компьютерами, а наиболее сложные (для x86 архитектуры) операции с вычислительной точки зрения «отдаются» квантовым сопроцессорам. Причем в первых реализациях таких гибридных суперкомпьютеров могут потребоваться квантовые сопроцессоры на различных физических платформах для различных алгоритмов. Классические компьютеры абсолютно необходимы, и можно лишь надеяться, что количество квантовых алгоритмов для решения различных типов задач будет расти. Главное, что для обычных пользователей, как мы с вами, этот переход на гибридные квантово-вычислительные сервисы окажется практически незаметным. Мы просто получим принципиально новый функционал и радикальное ускорение всех ИТ-сервисов.

Вероятно, в какой-то момент, когда критическая масса развитых квантовых технологий, нашего понимания физики и экспертизы перевалит некую черту, начнется эра полностью квантовых машин. Но до этого мы должны пройти эру шумных квантовых процессоров среднего масштаба (до 1000 кубитов), после чего перейти к высокоточным квантовым вычислителям и квантовым машинам большого масштаба. Тогда мы попадем в абсолютно непредсказуемое «квантовое измерение», все возможности которого человечеству еще предстоит осознать. А пока для получения практических полезных результатов это просто преждевременно.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки