Самый мощный квантовый компьютер в России. Пресс-тур в ФИАН

Самый мощный в России квантовый компьютер представили ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в декабре 2025 г. Как работает этот 70-кубитный вычислитель и в чем заключается его особенность? Какие задачи могут быть решены с помощью квантовых компьютеров? Как развиваются квантовые технологии в России и мире? Об этом узнали участники пресс-тура в институт, состоявшегося 10 февраля. Журналисты не только пообщались с разработчиками прорывных технологий, но и побывали в лаборатории ФИАН, где находится компьютер-рекордсмен.  

В конце 2025 г. на квантовом вычислителе ФИАН на ионной платформе, ранее уже поставившем 50-кубитный рекорд на уровне страны, был успешно реализован квантовый регистр из 70 кубитов. Сегодня этот компьютер по своим возможностям считается самым мощным в России. Представленная установка — важный рывок вперед для нашей страны в мировой квантовой гонке. Ее создание расширяет возможности практического применения квантовых вычислений, поскольку для решения полезных задач квантовому компьютеру нужно достичь достаточно большой размерности квантового регистра.

«90% работ по квантовым вычислениям в России выполняются в рамках дорожной карты “Квантовые вычисления”», — рассказал директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН академик Николай Николаевич Колачевский. Декабрьский контрольный эксперимент, продемонстрировавший успешную работу 70-кубитного квантового компьютера, был проведен под его руководством.

Кроме ФИАН, в число ключевых «игроков» в квантовой гонке сегодня входят Российский квантовый центр, МГУ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИТУ МИСИС и МФТИ. Квантовые технологии также активно развивают научные команды в Нижнем Новгороде.

Работа отечественных исследователей в области квантовых вычислений движется вперед семимильными шагами. Еще в 2020 г. наша страна располагала всего одной двухкубитной установкой на сверхпроводниках, а сегодня в России уже есть квантовые компьютеры на всех четырех приоритетных платформах: ионной, сверхпроводниковой, атомной и фотонной. При этом несколько установок уже достигли планки в 70 кубитов. 

Стоит кратко пояснить, что один кубит — это единица информации в квантовых вычислениях. Его отличие от обычного бита — минимальной единицы информации в классических компьютерах — заключается в том, что он не принимает значения «0» или «1» последовательно, а как бы одновременно находится во всех состояниях в промежутке от нуля до единицы. Это свойство называется суперпозицией.

Н.Н. Колачевский подчеркнул, что к настоящему времени стало понятно, что квантовые вычислители должны сочетать большое количество кубитов с высокой точностью двухкубитных операций — тех, в которых состояние одного кубита зависит от другого, с которым он «запутан»: именно эту задачу важно решить для успешной работы квантового компьютера. Своеобразной планкой, достижение которой позволит вывести квантовые вычислители на достаточно высокий уровень развития, некоторые эксперты считают реализацию 1 тыс. кубитов вместе с 99,99% точности двухкубитных операций.

В каких областях смогут принести пользу квантовые вычисления? Н.Н. Колачевский назвал три основные сферы, уже обозначившиеся в настоящее время. Первая — решение задач оптимизации, касающихся логистики, финансов, машинного обучения; простейший пример — управление потоками машин при прокладывании маршрутов на электронных картах для предотвращения заторов. Вторая сфера — моделирование: дизайн новых материалов, лекарств, химических соединений. Наконец, третья область — технологии передачи данных.

С 70-кубитным квантовым вычислителем ФИАН журналистов подробнее познакомил старший научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Илья Владимирович Заливако. Основой для кодирования информации в компьютере-рекордсмене служат ионы иттербия-171.

«Как известно, в каждом атоме или ионе электрон может вращаться вокруг ядра по различным орбитам. Другими словами, он может находиться в разных энергетических состояниях. Одно из таких состояний мы называем “нулем”, другое — “единицей”. Соответственно, каждая из таких частиц может находиться в состоянии “0”, “1” или быть в суперпозиции», — объяснил И.В. Заливако.

Управление системой происходит при помощи очень точно откалиброванных лазерных импульсов. Примечательная особенность установки заключается в том, что ученые кодируют в каждом ионе не один кубит, а сразу два. Такие системы называются кудитами. Это упрощает масштабирование технологии. Именно благодаря такому подходу в 2025 г. исследователям удалось осуществить самый большой квантовый алгоритм.

Техническая основа квантового компьютера ФИАН — цепочка из 35 ионов иттербия. Они удерживаются в ловушке объемного типа, при этом расстояние между соседними ионами составляет примерно 5 мкм.

Н.Н. Колачевский отметил, что в настоящее время мир переходит от трехмерных ионных ловушек к более компактным высокотехнологичным планарным структурам, так называемым чип-ловушкам. Такие системы активно развивают американцы — одни из сильнейших участников мировой квантовой гонки вместе с Китаем. В ФИАН сегодня также ведутся разработки в области планарных ловушек: уже успешно проведены первые эксперименты по управлению ионами в таких структурах.

Вернемся к 70-кубитному вычислителю ФИАН. И.В. Заливако представил гостям института характеристики компьютера. При использовании всех 70 кубитов (при необходимости ученые могут задействовать и не все ионы в цепочке) точность работы вычислителя достигла 99,92% для однокубитных операций и 95,4% для двухкубитных. При этом исследователям удалось добиться достаточно высокой связности кубитов. Для проверки системы на квантовом вычислителе были запущены алгоритмы Гровера, Бернштейна-Вазирани и алгоритм подготовки GHZ состояния. Отчасти они связаны с практическими задачами: например, алгоритм Гровера связан с поиском по неупорядоченной базе данных, криптографией и оптимизацией. Но в целом намерения у исследователей в данном случае были другие: по сути, ученые предложили компьютеру задачи, на которые хорошо знали ответ, чтобы протестировать его возможности.

Что позволяет считать квантовый вычислитель ФИАН самым мощным в стране? Как отметили исследователи, здесь нужно учитывать полный комплекс его характеристик. Первое — это наилучшее сочетание точности двухкубитных операций и количества кубитов. Например, существуют квантовые компьютеры, у которых точность двухкубитных операций выше, но только при меньшем общем количестве кубитов. Второе — самый качественный контроль за состоянием системы в 70-кубитном режиме: среди своих «собратьев» вычислитель ФИАН сегодня способен выполнять наиболее сложные алгоритмы.  

Сотрудники ФИАН активно тестируют квантовый вычислитель и с точки зрения прикладного применения. В числе уже проведенных экспериментов — разложение числа 1591 на простые множители, решение задач квантовой химии, распознавание рукописных цифр и патологий на флюорограммах легких и даже решение задач для проекта «Прорыв» госкорпорации «Росатом».

«На вычислителе ФИАН было опробовано довольно большое количество квантовых алгоритмов. Приведу самые простые примеры. Во-первых, это элементы квантовой химии. Например, мы промоделировали молекулу LiH и ее энергетический потенциал. Это важное направление, поскольку если бы речь шла об очень сложной молекуле из множества атомов и мы могли бы ее моделировать, то мы получили бы возможность сказать, устойчива она или нет. Это очень ценная информация для ученых, занимающихся синтезом новых молекул, и сегодня это отдельное большое направление исследований, — отметил Н.Н. Колачевский. — Вторая задача — это распознавание образов. Сейчас эта технология очень распространена. Квантовый компьютер только стартует в этой области, и тем не менее это уже работающий, пусть и еще не особенно сильный инструмент для решения данной задачи. <…> Здесь, в ФИАН, мы в основном фокусируемся на ионной платформе, хотя сейчас активно развиваем и нейтральный атом. Полагаю, что через год-два мы сможем продемонстрировать еще и квантовые вычислители, работающие на нейтральных атомах, такие разработки мы ведем совместно с МГУ».

Гости института не только познакомились с теорией, но и увидели, как «квантовая мечта» воплощается в реальность: журналистов ждала экскурсия в лабораторию, где располагается 70-кубитный квантовый компьютер.

«Сердце» квантового компьютера представляет собой магнитный экран, внутри которого расположена вакуумная камера с удерживаемыми в ловушке ионами. Внутри камеры поддерживается давление менее 10^-10 миллибар: ниже, чем в открытом космосе! Это позволяет избегать столкновений частиц внутри системы, грозящих разрушением квантового состояния ионной цепочки. Сама система работает при комнатной температуре, но ионы в ловушке охлаждаются с помощью лазеров до экстремально низких значений. Это необходимо для того, чтобы успешно проводить квантовые операции. Благодаря специальным камерам изображение ионов в ловушке выводится на монитор.

«Таким образом мы можем считать результат наших вычислений после запуска того или иного квантового алгоритма. Для этого мы подсвечиваем ионы посредством лазера и при помощи камеры смотрим, какие из них светятся, какие — нет. Если ион светится — это состояние “0”, если нет — состояние “1”. Так мы считываем состояние нашего квантового регистра», — пояснил И.В. Заливако.

Участники пресс-тура получили возможность пообщаться с исследователями. Темы для обсуждения были разнообразными: что такое кутрит, с какими сложностями сопряжено расширение регистра квантового вычислителя на дополнительный кубит, как развитие квантовых компьютеров повлияет на виртуальную валюту биткойн и многое другое. На вопросы гостей института вместе с коллегами отвечал старший научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Александр Станиславович Борисенко.

Пресс-тур проведен при поддержке Российской академии наук