На фотонах и нейтральных атомах: журналистам показали квантовые вычислители МГУ

Об эволюции квантовых вычислений в России и мире, достижениях Центра квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова узнали участники Квантового клуба журналистов. Эта просветительская площадка была создана госкорпорацией «Росатом», курирующей отечественный Квантовый проект. Встреча состоялась 11 марта на базе физического факультета Московского университета. Представители прессы пообщались с учеными и побывали в лабораториях вуза, где располагаются квантовые компьютеры на нейтральных атомах и фотонах.

Первое заседание Квантового клуба журналистов состоялось осенью 2025 г. — тогда сотрудники СМИ увидели самый мощный в стране квантовый вычислитель на ионной платформе, находящийся в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). Теперь настала пора познакомиться с квантовыми вычислителями Московского университета.

В роли ведущей встречи выступила заместитель генерального директора «Росатом Квантовые технологии» по коммуникациям и продвижению Квантового проекта Юлия Вячеславовна Покровская. Гостей приветствовал декан физфака МГУ, профессор, доктор физико-математических наук Владимир Викторович Белокуров: 

«Всплеск интереса [к квантовым вычислениям] возник в середине 1990-х гг. после появления работ Питера Шора и ряда других ученых, где было показано, что только квантовый компьютер может совершить настоящую революцию в информатике. <…> Например, чтобы разложить на сомножители числа с экстремально большим количеством знаков, у [классических] компьютеров всего мира, если собрать их вместе, уйдет время, сравнимое с жизнью Вселенной. Поэтому на основе этого принципа можно создавать технологии шифрования. А на квантовом компьютере такой алгоритм (алгоритм Шора) можно реализовать достаточно быстро. <…> И в середине 1990-х гг., когда возник интерес к теме, наш ректор Виктор Антонович Садовничий решил, что Московский университет не должен оставаться в стороне. Мы организовали <…> тематический межфакультетский семинар, объединивший физфак, мехмат и факультет вычислительной математики и кибернетики, открыли кафедру квантовой информации <…>, начали издавать журналы, переводить книги на эту тему».

В.В. Белокуров поблагодарил «Росатом» за плодотворное сотрудничество в рамках реализации дорожной карты по квантовым вычислениям и отметил важность привлечения заряженных энтузиазмом студентов к исследованиям в области квантовых технологий.

Новостями Квантового проекта поделилась директор по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», кандидат физико-математических наук Екатерина Борисовна Солнцева. Сейчас в стране развиваются семь квантовых вычислителей на четырех наиболее перспективных платформах — атомной, ионной, фотонной и сверхпроводниковой (в рамках дорожной карты — пять из них). В их числе — два компьютера, расположенные в Центре квантовых технологий МГУ. Помимо России, на всех четырех платформах квантовые вычислители развивают только США и Китай.

«Мы движемся широким фронтом. Это важно по двум причинам. Во-первых, потому что никто еще не знает, какая технология в итоге “победит”. Сейчас уже есть гипотеза, которая заключается в том, что каждая платформа будет лучше подходить для того или иного типа задач. Поэтому будущий квантовый компьютер в настоящее время представляется таким гетерогенным устройством, где есть классическая суперкомпьютерная часть и сопроцессоры в виде разных квантовых компьютеров, причем, вероятно, на различных платформах, которые фокусируются на задачах разных типов. Поэтому для максимально широкого покрытия всех возможных задач оптимальными вычислителями очень важно иметь компетенцию на разных платформах», — сказала Е.Б. Солнцева.

«Росатом» уже пробует испытывать на практике возможности квантовых вычислений в своих дивизионах. Е.Б. Солнцева познакомила слушателей с некоторыми работами из этой области: в их числе — моделирование теплопереноса в твердотельных конструкциях для проекта «Прорыв» и повышение точности автоматизированной медицинской диагностики.

Е.Б. Солнцева напомнила, что недавно был подписан меморандум о создании в нашей стране сетевого Квантового университета — первый набор учащихся запланирован уже на сентябрь 2026 г. Большое внимание к развитию квантовых технологий уделяется на международном уровне — в частности, 8 июня 2026 г. в Москве пройдет Форум квантовых технологий БРИКС.

Что ждать от эволюции квантовых вычислений в мире? Прогноз представил главный эксперт «Росатом Квантовые технологии» Михаил Алексеевич Кольченко. «Что нам нужно, чтобы создать полезные квантовые компьютеры? Например, мы все время говорим о количестве кубитов <…>. Для решения большинства полноценных задач (в зависимости от размера) их количество должно составлять от 1 тыс. до 100 тыс., — сообщил М.А. Кольченко. — Другое дело, что эти кубиты должны быть не совсем такие, как в настоящее время. Сейчас наши кубиты “шумные”: их квантовые состояния очень чувствительны <…>. Нам нужны более стабильные кубиты».  

М.А. Кольченко подчеркнул, что на пути к квантовому превосходству существуют определенные сложности — например, необходимость существенно повысить точность операций и обеспечить связность кубитов по принципу «все-со-всеми» — но ученые уже понимают, как можно с ними справиться. В докладе эксперта отмечалось, что квантовые вычислители начнут поступательно приносить пользу в разных сферах. Так, уже сейчас их пробуют использовать для простых расчетов в области оптимизации, а ближе к 2040 г. ожидается решение с помощью этих компьютеров сложных задач, касающихся моделирования молекул (например, лекарств и катализаторов).

Гости из СМИ побывали в лабораториях Центра квантовых технологий МГУ, где располагаются квантовые вычислители. Первый — компьютер на нейтральных атомах рубидия — в декабре 2025 г. достиг размерности в 72 кубита. Во время контрольного эксперимента точность двухкубитной операции, проделанной с помощью этого компьютера, составила около 94%. Помимо него, рубежа в 70 кубитов в России пока достигли только две установки — уже упомянутый квантовый вычислитель на ионах иттербия в ФИАН и компьютер на ионах кальция в Российском квантовом центре. 

«Идея заключается в том, что в качестве кубита используется одиночный атом. Он удерживается оптическим пинцетом — лазерным лучом, который с помощью линзы фокусируется в области порядка одного микрометра <…>. Изначально эта технология использовалась, например, в биологии для того, чтобы манипулировать одиночными клетками и микрочастицами в растворах», — рассказал руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ, кандидат физико-математических наук Станислав Сергеевич Страупе. Ученый отметил, что атомная платформа квантовых вычислителей в настоящее время выглядит как один из лидеров по перспективам масштабируемости.

В системе квантового вычислителя на атомной платформе поддерживается вакуум — в ней не находится практически ничего, кроме рубидия в газообразном состоянии. Кубиты кодируются в энергетических уровнях атомов с помощью воздействия на радиочастотах. Для работы атомы охлаждаются с помощью лазеров до температур, близких к абсолютному нулю.

Интересная особенность квантового вычислителя МГУ на атомной платформе заключается в разделении вычислительного регистра системы на зону памяти для долгосрочного хранения информации, зону взаимодействия, где происходят операции, и зону считывания, где проводится измерение. Во время уже упомянутого контрольного эксперимента ученые задействовали первые две зоны, а третью планируется развивать на следующем этапе работы. Такая архитектура открывает новые возможности масштабирования технологии, а в будущем поможет эффективно корректировать ошибки.

Работа второго компьютера, который увидели журналисты, основана на использовании одиночных частиц света — фотонов. Другое название этой установки — бозонный сэмплер. Эквивалентное число кубитов квантового вычислителя МГУ на фотонной платформе составляет 35. Основные компоненты такого вычислителя — источник фотонов, интерферометр, сквозь который они особым образом распространяются, а также детекторы, фиксирующие фотоны на выходе из системы. В первую очередь, квантовые вычислители на фотонной платформе могут пригодиться в решении комбинаторных задач на графах. Эта группа алгоритмов затрагивает различные сферы, включая дизайн лекарств.

«Сейчас мы решаем задачу поиска плотного подграфа в большом графе. Представьте, что у вас есть некая сеть из отдельных узлов, связанных между собой. И наша задача — определить подмножество этих узлов, имеющих максимальное количество связей друг с другом. Эта задача имеет большое количество практических приложений. Один из примеров — детектирование сообществ: например, выявление связей между разными группами в социальных сетях, между отдельными научными группами с точки зрения цитирования публикаций. Сюда же можно отнести обнаружение мошенничества: например, таким образом можно находить группы, между которыми постоянно происходят финансовые операции. <…> Выходное распределение фотонов как раз будет показывать нам такие плотные подобщества», — объяснил аспирант Центра квантовых технологий МГУ Юрий Андреевич Бирюков.

Больше о работе Центра квантовых технологий МГУ рассказал его научный руководитель, профессор, доктор физико-математических наук Сергей Павлович Кулик.

«Есть триада квантовых технологий: квантовые вычисления (“Росатом”), квантовые коммуникации (РЖД) и квантовая сенсорика (“Росатом”), которая по своим перспективам и заделам, имеющимся в Российской Федерации, наверное, превосходила все, что имелось в областях вычислений и коммуникаций <…>. Кроме квантовых вычислителей на двух платформах, в МГУ развиваются амбициозный яркий проект в области квантовых коммуникаций <…> и проекты по квантовой сенсорике», — поделился С.П. Кулик. Исследователь провел для журналистов экскурсию по физфаку и Центру квантовых технологий, во время которой гости увидели сразу несколько интересных научных «достопримечательностей» — установку для студенческих практикумов по квантовой оптике и квантовым вычислениям, системы Межуниверситетской квантовой сети (МУКС) и квантовый телефон, чье преимущество заключается в высочайшей конфиденциальности общения.

Отдельная часть встречи была посвящена общению ученых и журналистов. Одной из ярких тем для обсуждения стали квантовые сенсоры.

«Квантовые сенсоры — это устройства, которые с непревзойденной точностью, недоступной для классических сенсоров, могут измерять разные поля, например, магнитное или гравитационное, а также физические параметры, такие как ускорение <…>. Понятный и яркий пример применения квантовых сенсоров — навигация без спутникового сигнала, только по магнитному полю Земли. Планируется, что эта задача может быть решена с помощью перспективного магнитометра, разработку которого мы сейчас отобрали в качестве одного из приоритетных проектов, — рассказала Е.Б. Солнцева. — Другой вариант — гравиметры — сенсоры, позволяющие измерять мельчайшие изменения гравитационного поля Земли. Это очень важно для решения задач картографии и геологоразведки <…>. Сюда относятся и оптические датчики, включая уже упомянутые сегодня детекторы одиночных фотонов. То есть квантовая сенсорика в принципе уже существует — другое дело, что ее возможности многократно шире, чем то, что разработано к настоящему моменту. <…> Еще один вариант возможного применения квантовых сенсоров — связь нового поколения, что также действительно важно для нашей страны».