Алексей Федоров, МИСиС: В формирующейся сегодня квантовой индустрии нужны специалисты на всех уровнях

Алексей Федоров: Квантовые технологии — это совокупность методов решения каких-либо практических задач с использованием индивидуальных квантовых систем, таких как ионы, атомы, фотоны и электроны, то есть отдельных микроскопических объектов. Оказывается, что поведение микроскопических объектов сильно отличается от поведения макроскопических объектов — таких, как мы с вами, столы, стулья, книги и многое другое. И когда мы работаем с отдельными квантовыми системами, учитывая эти особенности, и при помощи них создаем какие-либо практические приборы — это и есть квантовые технологии. Сегодня выделяется три основные сферы развития квантовых технологий. Первая — это квантовые вычисления, когда квантовые системы используются для кодирования и обработки информации. Вторая — квантовые коммуникации, когда мы передаем информацию с помощью таких систем. И третье направление — квантовая сенсорика, когда при помощи микроскопических объектов измеряются некие параметры окружающей среды. В совокупности эти три направления и образуют на сегодня то, что называется «квантовыми технологиями».

Алексей Федоров: Это зависит от задачи и от контекста. Есть категория задач, в которых квантовый компьютер ускоряет решение задач. Пример такой задачи — разложение чисел на простые множители. Эта задача выглядит несколько абстрактной, но на самом деле она важна, поскольку лежит в основе распространенных криптографических алгоритмов. Соответственно, решение этой задачи означало бы взлом этих криптографических алгоритмов. Чтобы найти простые множители для числа длиной несколько тысяч знаков при помощи классического компьютера потребуется, например, миллион лет вычислений, а квантовые технологии — а именно, использование квантового алгоритма Шора — позволяют решить ее за десять часов. В этом случае мы достигаем значительного ускорения, превращая классически нерешаемую задачу в решаемую.

А если мы рассматриваем моделирование молекул, то мы зачастую добираемся более высокой точности. Дело в том, что рассчитывать молекулы оказывается крайне затруднительно, потому что количество конфигураций, в которых могут находиться электроны, очень быстро растет с увеличением сложности молекулы. Классический компьютер способен моделировать молекулы лишь прибегая к существенным упрощениям. В случае применения квантовых технологий мы можем упрощений не делать и добиваться гораздо более высокой точности при скорости расчета, которая сравнима с классическими методами. Есть, конечно, случаи, когда задача именно считать что-то быстрее, то тогда да — некоторые задачи можно еще и ускорить.

И третья важная составляющая использования квантовых технологий — это когда мы решаем задачу с той же точностью и даже примерно с сопоставимой скоростью, но гораздо более энергоэффективно. Это важно, например, в контексте машинного обучения и искусственного интеллекта. Поэтому мы боремся за использование квантовых технологий либо на одном из этих трех направлений, либо какой-то комбинации.

Алексей Федоров: Суперпозиция — это такое свойство квантовой системы, которое позволяет ей находиться как бы одновременно в нескольких возможных состояниях. Именно суперпозиция превращает бит информации в квантовый бит — кубит: он может быть не только 0 или 1, но как бы «и 0, и 1».

Алексей Федоров: Возможная иллюстрация: сфера, у которой два полюса, «0» и «1». Классическая система может быть либо в состоянии «0», либо «1». Квантовая система может существовать на любой точке поверхности этой сферы, то есть быть любой произвольной комбинацией этих нулей и единиц. С математической точки зрения это выражается тем, что состояние квантовой системы — это некоторая комбинация базисных состояний с т.н. комплексными коэффициентами. И это важное математическое утверждение: числа, которые стоят перед коэффициентами «0» и «1», являются не действительными, а комплексными. Сами по себе они не являются вероятностями, вероятностями являются квадраты их модулей. Таким образом, мы можем приготовить состояние «a» на «0» плюс состояние «b» на «1», где «а» в квадрате по модулю — это вероятность обнаружить частицу в состоянии «0», а «b» в квадрате по модулю — вероятность обнаружить частицу в состоянии «1». Соответственно: |a|2 + |b|2 -> |a|^2 + |b|^2 = 1. Можно создавать и более сложные комбинации. С математической точки зрения «суперпозиция» является следствием того, что квантовая механика — линейная теория. Это означает, что если в наличии два возможных состояния, то их комбинация — это тоже возможное состояние.

Представить себе суперпозицию наглядно крайне затруднительно, а может и невозможно, ученые это понимают. Еще отцы-основатели квантовой физики говорили, что если вы думаете, что понимаете квантовую физику, то вы ошибаетесь. Поэтому ученые привыкли к тому, что есть математические формулы, которые описывают суперпозицию, и есть термин, обозначающий это явление. Однако представить себе суперпозицию в реальном мире — то же самое, что представить себе течение реки одновременно в две противоположные стороны. По крайней мере моей фантазии для этого не хватает.

Алексей Федоров: Физический кубит — это реализация суперпозиции в конкретной физической системе, находящейся во взаимодействии с окружающим миром. Мы берем отдельный атом и выбираем в нем два энергетических уровня, один объявляем как «0», другой как «1». Посылая на этот атом оптическое излучение разной длительности можно создавать произвольную суперпозицию, когда электрон как бы «одновременно живет» на каждом из этих уровней с разными коэффициентами. Поскольку такой объект взаимодействует с окружением, это взаимодействие может оказывать некое влияние на состояние кубита. Например, можем приготовить состояние «1», а через какое-то время из-за взаимодействия с окружающим миром мы обнаружим нашу систему в состоянии «0». Таким образом, мы получим некую ошибку. Поэтому при использовании физических кубитов вычисления не защищены от ошибок, связанных с «утечкой» информации в окружающую среду.

Алексей Федоров: Как этого избежать и можно ли избежать в принципе? Это был один из главных вопросов на заре квантовых вычислений, когда многие критики высказывали позицию, что от ошибок избавиться невозможно. Однако было показано, что это реально — благодаря кодам коррекции ошибок. Можно сконструировать логический кубит на базе набора физических кубитов. Взаимно увязать физические кубиты между собой так, чтобы каждый как бы подсматривал друг за другом, контролируя на предмет того, а не возникают ли какие-либо ошибки во взаимодействии с окружением. Взяв совокупность, например, из девяти физических кубитов (точное количество зависит от конкретного кода коррекции ошибок) можно сделать один логический кубит, который будет устойчив к любой ошибке, действующей на один из девяти физических кубитов. Такой код придумал Питер Шор — также известный как создатель квантового алгоритма факторизации, упомянутого выше. Мы приведем его в некое состояние, и он остается в этом состоянии. Однако для полноценного логического квантового процессора недостаточно только логических кубитов, но и нужны логические, т.е. безошибочные, операции над ними.

Алексей Федоров: В данный момент квантовый компьютер представляет собой достаточно большую установку. Как и в случае с классическими компьютерами, идея миниатюризации квантовых расчетов возникнет в тот момент, когда в этом появится определенная потребность. Разработанный в ФИАН им. П.Н. Лебедева и РКЦ квантовый компьютер на ионах занимает 2/3 просторной лабораторной комнаты. Лазеры используются для приготовления квантовых состояний, считывания и проведения операций, специальный экран позволяет видеть то, что происходит с кубитами в ионной ловушке, в которую они загружаются.

Таким образом, современный квантовый компьютер — это большая установка, однако принципиальных ограничений ее уменьшить нет. Если задаться целью минимизировать размеры квантового компьютера, то это возможно. Наши коллеги из Австрии не так давно на практике продемонстрировали, что при желании квантовый компьютер можно упаковать в обычную серверную стойку. Однако практический смысл в этом появится, когда его вычислительная мощность достигнет необходимого масштаба.

Алексей Федоров: Это один из главных вопросов квантовых вычислений: как будет выглядеть идеальный носитель информации для квантового компьютера. Давайте вспомним историю классических вычислений. К тому, чтобы кодировать информацию с помощью транзисторов и полупроводниковой электроники ученые, инженеры пришли далеко не сразу.

Поначалу использовались электромеханические системы, вакуумные лампы и другие физические принципы. Даже классические бухгалтерские счеты тоже являются, в какой-то мере, способом кодировать информацию.

В квантовой мире сейчас параллельно пробуются различные физические носители информации для того, чтобы осуществлять вычисления. На сегодня выделяют несколько передовых физических платформ: сверхпроводниковые цепочки, атомы, ионы, фотоны и полупроводниковые квантовые точки.

Алексей Федоров: Сверхпроводниковые цепочки — это «кусочки» сверхпроводников, то есть материалов, которые проводят электричество без потерь при температуре ниже некоторой.

Также при очень низкой температуре такая сверхпроводниковая структура может превращаться в некое подобие искусственного атома. Для достижения столь низких температур используются специальные холодильники — криостаты растворения. С точки зрения электротехники сверхпроводниковый мета-атом — это колебательный LC-контур, в котором есть индуктивность и емкость, но индуктивность заменена на нелинейный элемент — Джозефсоновский контакт. Получается система, в которой можно выбрать два уровня с наименьшей энергией, обозначить их за «0» и «1», создав тем самым физический кубит.

Такие системы используют индустриальные компании. Именно так построены квантовые компьютеры IBM и Google. Преимущество таких систем в том, что можно использовать возможности существующей электроники, которая позволяет управлять такими системами, а квантовый чип и технология его изготовления похожи на классические чипы в микроэлектронике. Можно выполнять квантовые операции с высокой скоростью. При этом, конечно, есть и сложности, в том числе на этапе дизайна сверхпроводниковых чипов, а также достаточно большой размер таких «искусственных атомов» — они значительно больше, чем естественные атомы или ионы. У нас в России сверхпроводниковыми квантовыми компьютерами активно занимаются в Университете «МИСИС», Российском квантовом центре, МФТИ, а также ВНИИА им. Н.Л. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана, и ряде других научных центров. Работы команд из РКЦ, МИСИС и МФТИ ведутся в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям, за реализацию которой отвечает Росатом.

Алексей Федоров: Атомы, например, рубидия, от природы все одинаковые и в этом их важное преимущество. Также их можно с помощью оптических методов собрать вместе в большом количестве. Недостаток систем, построенных на нейтральных атомах, состоит в том, что такие системы очень тяжело заставить контролируемым образом обмениваться квантовой информацией. Поэтому точность операции, которые осуществляются с их помощью, не очень высокая особенно до последнего времени — буквально в течение последнего полугода были предложные новые подходы для повышения точности операций. Наиболее активно в этом направлении в России движется группа в Центре квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова и Российском квантовом центре.

Ионы — заряженные, поэтому у них есть механизм взаимодействия. Точность при использовании ионов достаточно высокая, но собрать большое количество ионов в одной ловушке без снижения точности операций затруднительно. Поэтому такая система хорошо контролируется, но сложно масштабируется. Тем не менее, именно ионное направление позволило создать самый мощный в России на сегодняшний день квантовый компьютер на базе совместной лаборатории ФИАН им. П.Н. Лебедева и Российского квантового центра. Для дальнейшей масштабируемости предлагаются новые технологии — например, специальные ионные ловушки, в которых ионы разделены по группам.

Эти проекты также ведутся в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям.

Алексей Федоров: У систем на основе фотонов есть очевидные преимущества: они не взаимодействует с окружением, поэтому не случается ошибок в привычном для квантовых вычислений смысле (т.е. в определенном отсутствует декогеренция). Оборотная сторона этого преимущества — фотоны очень тяжело заставить взаимодействовать для обмена информацией, для этого нужны специальные условия или достаточно необычные модели квантовых вычислений. Поэтому это направление развивается, но сталкивается с рядом технологических трудностей. Ряд результатов в этом направлении был представлен в рамках сотрудничества Центре квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова, ВНИИА им. Н.Л. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана. В рамках Дорожной карты этим направлением занимается научная группа в Центре квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова и Российском квантовом центре.

В полупроводниках (полупроводниковые квантовые точки) носителем информации являются электроны или дырки, а точнее их спины, поэтому такие кубиты часто называют спиновыми. Эта технология оказывается достаточно сложной, потому что очень требовательна к индустриальному производству, например, — к чистоте материалов, в частности — кремния. К тому же в этом случае довольно нетривиальная система архитектуры контроля и управления. Однако потенциальный выигрыш в случае успеха — возможность использовать уже существующие и развитые технологии микроэлектронной промышленности. В России в этом направлении работают, в частности, в МГУ им. М.В. Ломоносова в кооперации с коллегами. В рамках Дорожной карты ведется проект в Институте физики микроструктур в Нижнем Новгороде также в сотрудничестве с рядом научных центров.

Алексей Федоров: На сегодняшний день это неочевидно. Возможно, какие-то из физических платформ займут определенные ниши, и будет не один квантовый компьютер, а разные, построенные на разных физических принципах для разных задач.

Важно понимать следующее: для того, чтобы построить большой квантовый компьютер, недостаточно собрать много кубитов. Можно поймать много атомов или «напечатать» много кубитов на чипе, но при этом важно сочетание достаточно большого количества носителей информации, и высокой степени контроля над ними и над их взаимодействием. В совокупности это дает вычислительную мощность. Сегодня в самых мощных квантовых компьютерах несколько десятков-сотни (70 — 100) кубитов, точность вычислений уже позволяет решать определенные задачи, которые недоступны классическим суперкомпьютерам, но пока их задача не практические, а специально сконструированные для того, чтобы показать то самое квантовое вычислительное преимущество.

Алексей Федоров: Стоит отметить, что вышеупомянутые результаты по квантовым вычислениям на различных физических платформах — сверхпроводниках, атомах, ионах, фотонах и полупроводниках — сегодня поддерживаются в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям, реализацией которой занимается Росатом. Работа в рамках Дорожной карты, стоит отметить, гораздо шире — это не только разработка квантовых компьютеров, но и формирование индустрии, в том числе, кадровые вопросы, взаимодействие с бизнесом и многое другое. Росатом ведет колоссальную работу в этом направлении.

Наиболее мощный на данный момент квантовый компьютер создан на основе ионов. Причем наша система работает несколько иначе по сравнению с квантовыми компьютерами, созданными в мире: в каждый ион мы кодируем два кубита, а не один. Это называется кудитными (от термина «кудит») квантовыми вычислениями. Мы выбираем четыре уровня, а не два, за счет этого мы часть операций, которые требуют взаимодействия между ионами, делаем внутри одного иона. Это позволяет нам добиваться более высокой точности реализации квантовых вычислений. В этом смысле мы идем в квантовых вычислениях по непроторенной дороге, создаем альтернативную систему, делаем публикации, получили патент. Недавно начали использовать нашу систему для запуска реальных квантовых алгоритмов и демонстрации преимуществ кудитов перед традиционной кубитной реализацией. За счет этого мы можем увеличивать объем информации, кодируемой в каждый конкретный носитель. И тем самым добиваться увеличения вычислительных возможностей квантового компьютера.

Алексей Федоров: К сожалению, такая тенденция есть. Продиктована она не желаниями конкретных ученых, а политикой их университетов, которая требует не взаимодействовать с российскими научными учреждениями. Но вместе с тем наблюдается и такая тенденция: если мы готовы предоставить коллегам нечто абсолютно оригинальное, чего у них нет, и наши результаты представляют для них большой интерес, они идут на взаимодействие. С коллегами из Австрии у нас вышла совместная работа в прошлом году, в этом году — с коллегами из Германии и США.

Алексей Федоров: Они готовы предоставлять ее в том случае, если видят, что мы находимся в конкурентной с ними фазе, и что результаты наших исследований представляют для них интерес. И в ходе такого взаимодействия идет обоюдный обмен информацией. Могу привести в качестве примера совместную с коллегами из Германии статью, посвященную способу классического моделирования квантовых систем. Мы вместе с коллегами, сотрудники Российского квантового центра, обнаружили, что квантовые системы определенного класса построены фрактальным образом. Это означает, что, посчитав систему для одной размерности, можно предсказать, как она будет вести себя для больших размерностей. Мы придумали фрактальный способ расчета состояний больших сложных квантовых систем, и нам нужно было сравнить это с наилучшими конкурентными разработками. Коллеги из Германии предоставили нам данные расчета их методом — их метод рассматривался как лучший для оправленного класса систем, мы сравнили и поняли преимущество нашего метода. Таким образом, мы конструктивно обменялись информацией.

Они предоставили нам доступ к своему методу, мы описали свой метод и сделали совместное научное исследование. Но, повторюсь, интерес коллег из Германии был связан с тем, что мы предложили лучшую альтернативу в сравнении с тем, что существовало у них на данный момент.

Алексей Федоров: Важный прорыв — это изменение отношения к квантовым технологиям. За последние два-три года произошла коренная смена отношения к тому, что такое квантовые технологии. Я работаю в этой области больше 10 лет и помню, что квантовые компьютеры еще 7-8 лет назад относились к научной фантастике. Люди думали, что квантовый компьютер также далек от нас как черные дыры, темная материя и адронный коллайдер.

Сегодня к квантовому компьютеру относятся как к инструменту, который индустрия ждет для решения конкретных задач. Это выражается в том, что появляется все больше компаний, которые заинтересованы в том, чтобы тестировать решение задач с использованием квантовых компьютеров, изучать их потенциальные возможности. Количество таких проектов стремительно растет год от года, и практически любая крупная компания уже попробовала использовать квантовые компьютеры.

В России основным драйвером развития квантовых технологий стали Дорожные карты. Дорожная карта, реализуемая при координации Росатома, позволила сделать значительный шаг вперед в создании практических устройств для квантовых вычислений, которые упомянуты выше. Причем это разработанные системы, которые начинают использоваться для того, чтобы прототипировать квантовые алгоритмы. Например, из области химии и машинного обучения. Самая мощная на сегодняшний день разработка — ионный квантовый компьютер, который уже показал свои вычислительные возможности. Мы видим интерес к тому, чтобы эта технология развивалась дальше.

Алексей Федоров: Во-первых, постоянный рост вычислительных возможностей квантовых компьютеров. Еще полтора года назад количество кубитов было меньше, качество операций с ними было ниже, и каждые год-полтора мы видим прогресс квантовых технологий в этом отношении.

Еще один прорыв — практическая коррекция ошибок путем создания логических кубитов и реализации с их использованием квантового алгоритма. Это большой шаг вперед, потому что по-настоящему потенциал квантовых компьютеров мы раскрываем на пути коррекции ошибок.

Алексей Федоров: Идеальная ситуация: ионы в ловушке, мы кодируем в них информацию, считываем ее, а ионы остаются. Но мир не идеален, и бывает, что в процессе реализации алгоритма ион теряется, требуется перезапуск. Мы с этим боремся. Ионы на сегодня могут жить в ловушке часы, дни, недели, и мы можем их переиспользовать. Но время от времени какие-то ионы мы долавливаем. Иногда демонстрируем весь цикл работы, с нуля: как поймали ионы, начали работать, инициализировали, провели алгоритм, считали квантовую информацию и так далее.

Алексей Федоров: Мы движемся к этому, но все-таки квантовые вычисления на данном этапе — элемент цифровизации, логика их развития лежит в русле цифровизации. Такая трансформация терминов вполне возможна, но лишь когда квантовые технологии начнут в тех или иных областях доминировать.

Тот факт, что развитие квантовых технологий заложено в рамках Национального проекта «Цифровая экономика» и в будущем — в рамках Национального проекта «Экономика данных» — это вполне естественно. На текущем этапе и то, как мы это видим сейчас, оптимистично-консервативный сценарий состоит в том, что квантовые технологии — это то, что улучшает существующую информационную инфраструктуру, а не заменяет ее.

Алексей Федоров: Помимо квантовых компьютеров, которые, кстати говоря, не являются самой зрелой технологией с индустриальной точки зрения, существуют устройства квантовых коммуникаций, или точнее — устройства распределения квантовых ключей. Эти устройства используются для защиты информации, и они уже достаточно зрелые в плане промышленного производства. Идея в том, чтобы кодировать информацию состояния одиночных квантов света в канале, по которому передается информация из точки А в точку Б. За счет свойств квантовой физики, которая ограничивает наши возможности «подсмотреть» за квантовой системой, не внеся в нее возмущения, всегда можно гарантированно знать, было прослушивание данной информации или его не было. И наша цель сформировать определенный объем информации, про который мы точно можем сказать, что прослушивания не происходило. И уже существуют такие промышленные системы. В России существуют, как минимум, три производителя, работающих над созданием и производством таких устройств. Квантовые коммуникации и технология квантового распределения ключей в России развивается в рамках Дорожной карты по квантовым коммуникациям, реализацией которой занимается РЖД.

Системы квантового распределения ключей обеспечивают нас криптографическими ключами, которые, в свою очередь, потребляют системы шифрования. Система шифрования является классической, а ключ шифрования, который мы передаем, распределен при помощи квантовой физики. Это уже индустриально зрелые технологии, настолько зрелые, что их можно приобрести и использовать.

Алексей Федоров: Достаточно зрелыми с индустриальной точки зрения являются прототипы квантовых сенсоров. Квантовые сенсоры — это устройства, которые способны детектировать какие-либо физические характеристики с очень высокой степенью точности в силу естественной чувствительности квантовых систем к внешним воздействиям.

Здесь уместно вспомнить про то, что физически кубиты не идеальны, поскольку взаимодействуют с окружением. Это взаимодействие влияет на квантовую систему и способно привнести ошибку. Но у этого свойства кубитов есть и положительная сторона: даже маленькая квантовая система способна увидеть очень небольшого изменения окружающей среды. Это делает квантовые системы прекрасными сенсорами для измерения электромагнитных полей с высокой степенью точности. И в России также ведется работа над различными прототипами квантовых сенсоров, для измерения тех же электромагнитных полей, делаются квантовые часы и другие устройства для квантовой сенсорики. Например, в ФИАН им. П.Н. Лебедева разработаны портативные квантовые часы на основе ионов.

Алексей Федоров: Ситуация в мире примерно такая же: уже есть промышленные устройства квантового распределения ключей, квантовые сенсоры, а квантовые компьютеры пока не вышли на индустриальный уровень, находятся на стадии прототипов и первых пилотных проектов с индустрией.

Алексей Федоров: Наиболее близки к пользовательским устройствам квантовые генераторы случайных чисел, интегрированные в некоторые мобильные телефоны для криптографической защиты в приложениях электронной коммерции.

Алексей Федоров: Квантовые алгоритмы — это последовательность инструкций для квантового компьютера, которая позволяет решить ту или иную практическую задачу. Иными словами — это последовательность шагов, которые мы можем реализовать на квантовом компьютере, чтобы достичь той или иной практической цели. Особенность создания алгоритмов состоит в том, чтобы, во-первых, решить практическую задачу, выбрав то, что при использовании классического компьютера решается плохо, а на квантовом компьютере, как мы полагаем, будет решаться лучше. И вторая задача состоит в адаптации алгоритмов под возможности квантового компьютера. Мы закрываем полный стек: от задачи потребителя, от бизнес-цели, вплоть до того, какие импульсы нужно послать на ион, чтобы решить ту или иную задачу. В рамках наших исследований мы проходим весь путь от математической формулировки задачи до квантового компьютера.

Алексей Федоров: Как и в случае классического ПО, в этой области есть языки программирования, которые отвечают за разный уровень соприкосновения железа. Уже существует квантовый аналог языка Assembler, позволяющий выбирать конкретные кубиты в определенном регистре, после чего реализуется последовательность операций. Это необходимо специалистам, которые заинтересованы в низкоуровневой оптимизации квантового алгоритма. Если говорить о конечном пользователе, то уже сегодня существуют библиотеки квантовых алгоритмов, в которых интегрируются стандартные системы разработки. Прикладной программист может не знать, как работает та или иная квантовая функция, но иметь возможность ее использовать.

Алексей Федоров: Сегодня в квантовые вычисления приходят представители трех направлений — физики, инженеры и программисты с опытом работы в других областях, например, машинном обучении. Физики — это люди, изучавшие квантовую механику и соответствующие математические курсы. В основном они занимаются непосредственно разработкой квантовых алгоритмов и квантовых вычислительных устройств. Инженеры помогают им в том, чтобы сделать какие-то решения более надежными и стабильными. Роль инженеров в таких проектах очень важна. Те, кто изучал классическое программирование, классическую теорию информации, рассматривают квантовые технологии как некое расширение возможностей классических компьютеров, поэтому обычно фокусируются на разработке квантовых алгоритмов и программного обеспечения.

Алексей Федоров: Пока больше физиков. И нам действительно пока в основном нужны люди, способные построить эффективный квантовый компьютер. Но разработчики и инженеры тоже очень нужны. В обоих случаях требуется хорошие знания и страсть к тому, чтобы этим заниматься, потому что в квантовом программировании много открытых вопросов. Иногда, чтобы сделать то, что хочешь, нужно создать это буквально с нуля, а не воспользоваться готовым решением. В рамках Университета науки и технологий МИСиС мы создали Институт физики и квантовой инженерии, который будет готовить как раз таких специалистов по разным направлениям квантовых технологий, чтобы они могли решать практические задачи по разработке и внедрению квантовых алгоритмов.

Алексей Федоров: Во-первых, нужны ученые — люди, которые будут понимать, условно, какие физические носители информации используются — ионы иттербия или бария, а также почему и зачем. Во-вторых, нужны инженеры для разработки отдельных компонентов квантовых компьютеров, а также их трансформации из экспериментальных образцов в законченные устройства. В-третьих, алгоритмисты и программисты, которые будут понимать, как квантовый компьютер можно использовать. Наконец, в-четвертых, также нужны люди, которые будут общаться с индустрией, чтобы понимать, какие есть подробности и какие нужны алгоритмы. В формирующейся сегодня квантовой индустрии нужны специалисты на всех уровнях.

Алексей Федоров: Как я уже сказал выше, в МИСИС мы создали целый Институт физики квантовой инженерии для того чтобы готовить новое поколение специалистов. В рамках Российского квантового центра у нас есть кафедра в МФТИ. В других университетах также либо уже реализуются, либо создаются образовательные программы по квантовым технологиям.

Любая быстро развивающаяся отрасль рано или поздно сталкивается с дефицитом кадров и рецепт один: нужно создавать целенаправленные образовательные программы в рамках крупных университетов. Этому очень хорошо научил атомный проект. Ведь многие технические вузы, которые сейчас существуют, были либо созданы полностью в рамках создания атомной отрасли, либо их факультеты или крупные научные центры создавались в интересах атомного проекта. Также будет происходить и с квантовой отраслью. По мере развития квантовых технологий будут появляться все новые институты, университеты, научно-образовательные центры, посвященные этому направлению.

Алексей Федоров: В Бауманке работает совместный с ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» научно-образовательный центр Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН), который активно участвует в разработке квантовых компьютеров, в частности, коллеги ведут работы по проектированию и фабрикации квантовых чипов. Активно работают над сверхпроводниковыми и фотонными квантовыми процессорами. Проводятся связанные с этим исследования, включая измерения процессоров и разработку квантовых алгоритмов.

Алексей Федоров: Российский квантовый центр — это частный научно-технологический институт, созданный в 2010 году как новая модель развития науки в нашей стране. Целью создания Центра было исследование явлений квантовой физики — эффектов, характерных для микроскопических квантовых систем, проведение соответствующих теоретических работ и экспериментов. Также задачей было развитие квантовых технологий, т.е. приборов и устройств, о которых мы сегодня беседовали. Российский квантовый центр сегодня — это научное ядро, в нем работает более 20 научных коллективов, проводящих исследования по разным направлениям квантовой физики, в первую очередь — по направлению создания квантовых компьютеров. Кроме того, созданы коммерческие стартап-компании, занимающиеся коммерциализацией всех квантовых технологий — вычислений, коммуникаций и сенсорики. Важной для Российского квантового центра является поддержка Газпромбанка, которую он оказывает уже более десяти лет. Эта поддержка позволила центру вывести многие научные разработки в прикладную плоскость — начать по отдельным направлениям тот самый необходимый трансфер знаний в полезность.

Российский квантовый центр является основным исполнителем по реализации Дорожной карты по квантовым вычислениям, координируемой Росатомом. Из образовательных активностей функционирует кафедра в МФТИ, одна из самых популярных среди студентов на данный момент, и совместные образовательные программы с МИСИС.

Алексей Федоров: Конечно, взаимодействуем и очень активно. Напомню, что Российский квантовый центр — один из первых участников «Сколково», в свое время получил поддержку фонда, и территориально мы размещаемся на территории инновационного центра. Стартап-компании становятся также резидентами Фонда.