Квантовые вычисления для всех желающих

Запущена первая в России открытая онлайн-платформа квантовых вычислений. Разработка выполнена в Институте информационных технологий РТУ МИРЭА. Инструментом может бесплатно воспользоваться любой желающий

Университетам ресурс поможет готовить специалистов в квантовой сфере. А промышленные предприятия и коммерческие компании получат возможность тестировать квантовые вычисления и оценивать потенциал их внедрения в свои производственные процессы.

Платформа доступна по адресу https://quantum.mirea.ru/, она позволяет создавать и тестировать квантовые алгоритмы на 30-кубитном эмуляторе. Ее возможности сопоставимы с зарубежными аналогами, но главное преимущество — совместимость с российской платформой «Эльбрус».

Перспективные сферы использования — искусственный интеллект, моделирование молекул, оптимизация логистики, прогнозирование финансовых рынков и многое другое. По оценкам McKinsey, к 2035 году мировой рынок квантовых вычислений превысит 14 трлн долларов.

Как отметил ректор РТУ МИРЭА Станислав Кудж, этот проект — важный этап в развитии отечественных высоких технологий, он создает основу для будущих прорывов в науке и промышленности.

Объединенными усилиями

Директор Института информационных технологий РТУ МИРЭА Андрей Зуев рассказал «Стимулу», что проект получился из слияния компетенций с ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука». Институт электронных управляющих машин уже почти полвека имеет базовую кафедру в МИРЭА. С 2024 года в Институте информационных технологий РТУ МИРЭА есть квантовый компьютер SpinQ, и в рамках программы «Приоритет 2030» каждый семестр читается курс «Основы квантовых вычислений». ИНЭУМ, имея широкие компетенции в области вычислительной техники, вел исследования в области квантовых компьютеров и имел существенный задел в сфере квантовых вычислений и квантовых алгоритмов.

А катализатором процесса стало приглашение к участию в отраслевом акселераторе «Квантовые вычисления» госкорпорации «Росатом». В рамках акселератора собралась совместная команда МИРЭА и ИНЭУМ, по результатам первого цикла в августе 2024 года проект отечественной платформы квантовых вычислений получил подтверждение соответствия задачам дорожной карты «Квантовые вычисления» на 2025–2030 годы.

В дальнейшем работа команды продолжилась на базе учебно-научной лаборатории «Квантовые технологии» Института информационных технологий РТУ МИРЭА, которую возглавил Никита Бочаров, главный научный сотрудник ИНЭУМ и доцент РТУ МИРЭА. В результате к середине нынешнего года и была готова первая версия платформы.

Отставание наверстаем

Онлайн-платформа квантовых вычислений МИРЭА представляет собой веб-интерфейс и универсальный эмулятор 30-кубитного квантового компьютера. Этот интернет-ресурс доступен любому пользователю, имеющему «Яндекс ID» — единый аккаунт, который позволяет получать доступ ко всем сервисам «Яндекса», а также к сторонним сайтам и приложениям, которые поддерживают авторизацию через «Яндекс ID».

Реальные квантовые компьютеры — технически очень сложные и дорогие устройства. Зачастую они требуют охлаждения почти до абсолютного нуля, изоляции от внешних воздействий и имеют еще много других ограничений. Занимать они могут целые комнаты. Один из основных показателей мощности квантового компьютера — количество кубитов. Каждый добавленный кубит удваивает возможности квантового компьютера. Ученые из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН сейчас занимаются разработкой первого российского 50-кубитного квантового компьютера, построенного по технологии холодных ионов. Недавно в ходе экспериментов они оценили его ключевые характеристики. Это лабораторная установка, существующая в единственном экземпляре. К ней невозможно организовать широкий доступ даже для специалистов.

«Здесь-то и выходят на сцену эмуляторы, — пояснил “Стимулу” Никита Бочаров. — Эмулятор — это программа, запущенная на обычном компьютере или сервере, которая имитирует работу квантового компьютера на уровне математики. Эмулятор позволяет разработать и протестировать квантовые алгоритмы, проводить эксперименты, а самое главное — на нем можно учиться и экспериментировать неограниченно по времени».

 «Когда появится реальный квантовый компьютер, мы просто заменим серверную часть — отключим эмулятор и подключим настоящий квантовый вычислитель. Что при этом изменится для пользователя? Фактически ничего, интерфейс останется тем же»

30-кубитный эмулятор, разработанный для онлайн-платформы РТУ МИРЭА, позволяет решать несколько десятков различных задач, включая, например, оптимизацию функций и обработку изображений. Причем для пользователя нет заметной разницы, работает он на реальным квантовом компьютере или на эмуляторе. Результат получается одинаковый. Очевидный минус эмулятора в том, что он медленнее реального квантового компьютера. И чем больше эмулируется кубитов, тем медленнее его работа, в отличие от реального квантового компьютера, который работает практически моментально. Поэтому эмулятор не заменяет квантовый компьютер в прикладных применениях, но для обучения он идеален.

Функционал первой версии платформы уже позволяет конкурировать с зарубежными решениями, такими как Qiskit, Cirq, Quantum Development Kit.

«Подобные платформы есть у всех уважающих себя разработчиков квантовых компьютеров: IBM, Intel, Microsoft, D-Wave и других, — говорит Андрей Зуев. — В этом контексте и в условиях глобальной технологической гонки, когда квантовые технологии становятся одним из ключевых элементов научного и промышленного прорыва, появление отечественной бесплатной общедоступной платформы квантовых вычислений является важным технологическим достижением».

Функционал у конкурирующих платформ схожий. Пока для квантового программирования нет стандартных языков высокого уровня, таких как C++ или Java. Поэтому квантовые компьютеры каждого разработчика имеют свои нюансы, и компании заинтересованы, чтобы пользователи учились программировать именно на их компьютерах.

«Онлайн-платформы за рубежом обгоняют наше решение, — отмечает Андрей Зуев, — но отставание не столь значительное, чтобы мы не могли его наверстать. Тем более что у нас есть некоторые наработки, которых нет у них. Помимо функциональных возможностей на уровне ведущих иностранных аналогов преимуществом нашей разработки является то, что она способна конвертировать квантовые программы между разными форматами и реализовывать квантовые алгоритмы обработки изображений, бинаризации и поиска границ, что открывает возможности применения квантовых вычислений в системах компьютерного зрения».

«Бесшовный» переход

Российская платформа совместима с отечественной аппаратно-программной платформой «Эльбрус». Это не только позволяет моделировать квантовые вычисления с высокой эффективностью за счет использования архитектурных особенностей российского процессора, но и является критически важным аспектом для обеспечения технологического суверенитета.

«“Эльбрус” — один из немногих в России высокопроизводительных микропроцессоров общего назначения, — отмечает Никита Бочаров. — В текущих политических условиях можно даже сказать, что единственный. Однако решение о разработке платформы с ориентацией на поддержку отечественной вычислительной техники связано не только с желанием импортонезависимости, но и с объективно важными архитектурными особенностями этого процессора, которые позволяют эффективно эмулировать квантовые вычисления».

 «Платформа РТУ МИРЭА с ее эмуляцией 30-кубитного компьютера предоставляет уникальные инструменты для разработки и тестирования квантовых алгоритмов, которые могут быть применены в области квантовых коммуникаций для защищенной передачи данных»

Процессор «Эльбрус», в отличие от привычных Intel или AMD, имеет принципиально другую архитектуру (VLIW), которая позволяет одновременно иметь высокую производительность на сложных задачах управления со сложным ветвлением (для серверных задач) и на задачах с большим параллелизмом (эмуляция квантовых вычислений). Таким образом, команде разработчиков удалось одновременно обеспечить импортонезависимость онлайн-платформы и добиться высоких технических характеристик ее использования.

«Сейчас уже каждый краем уха слышал, что есть какие-то квантовые компьютеры, но что это, как они работают и для чего нужны, большинство представляет слабо. Говорят, что квантовый компьютер имеет в миллионы раз бóльшую производительность или что он может решать те задачи, которые обычные компьютеры решать не умеют. На самом деле квантовые компьютеры фундаментально отличаются от привычных нам классических. И учиться пользоваться ими, а точнее, разрабатывать для них программы нужно совсем по-другому. Поэтому одна из основных целей онлайн-платформы РТУ МИРЭА — обучение. В первую очередь — студентов в области информационных технологий. Во вторую — специалистов профильных предприятий, исследователей или просто интересующихся новыми технологиями», — поясняет Никита Бочаров.

Общедоступные инструменты квантовых вычислений обеспечивают «бесшовный» переход от эмулятора к квантовому компьютеру. К моменту появления реальных устройств мы уже будем иметь подготовленных специалистов.

«Сейчас они работают с эмулятором, но его интерфейс — это тот же интерфейс, с которым они будут взаимодействовать при работе с настоящими квантовыми системами, — говорит Андрей Зуев. — В результате переход от обучения на эмуляторе к работе с реальным устройством будет для них максимально естественным и понятным. Когда появится реальный квантовый компьютер, мы просто заменим серверную часть — отключим эмулятор и подключим настоящий квантовый вычислитель. Что при этом изменится для пользователя? Фактически ничего, интерфейс останется тем же».

Перспективная платформа

О практической значимости разработки российских ученых «Стимулу» также рассказали в ООО «СМАРТС-Кванттелеком». Это производитель систем квантового распределения ключей и компонентной базы квантовых технологий: детекторов одиночных фотонов, фазовых и амплитудных модуляторов. Компания занимается комплексным проектированием квантовых сетей, реализует фундаментальные и прикладные научные исследования в сфере информационных технологий, квантовых коммуникаций, информационной безопасности для обеспечения максимальной защиты передаваемых данных. Решения компании применяются в ходе реализации федеральных проектов по развитию инфраструктуры магистральных квантовых сетей, реализуемых ОАО «РЖД».

«Мы с большим интересом наблюдаем за развитием онлайн-платформы квантовых вычислений, разработанной специалистами РТУ МИРЭА, — отметил руководитель направления развития продуктов ООО “СМАРТС-Кванттелеком” Алексей Сантьев. — Эта инициатива подтверждает стремление России к лидерству в области квантовых технологий и предоставляет уникальную возможность для студентов и профессионалов углубить свои знания в этой перспективной области в условиях ограниченного доступа к аналогичным зарубежным сервисам и платформам».

По его словам, характеристики платформы позволяют говорить о ее конкурентоспособности по отношению к известным зарубежным аналогам. Важно также, что при создании платформы изначально была заложена возможность работы на отечественных аппаратных решениях. Это способствует укреплению технологического суверенитета в сфере квантовых технологий на самом старте их развития в нашей стране.

«Очень существенно, что платформа открывает значительные перспективы не только в области квантовых вычислений, но и в квантовых коммуникациях, — продолжает Алексей Сантьев. — Одним из ключевых аспектов перспективных устройств квантовых коммуникаций является использование квантовой запутанности. Платформа РТУ МИРЭА с ее эмуляцией 30-кубитного компьютера предоставляет уникальные инструменты для разработки и тестирования квантовых алгоритмов, которые могут быть применены в области квантовых коммуникаций для защищенной передачи данных».

Специалист также отмечает, что крайне значима и образовательная составляющая платформы. Обучение студентов и специалистов в области квантовых технологий не только содействует развитию кадрового потенциала, но и способствует внедрению инноваций в промышленность. Важно, чтобы новые технологии стали доступными для широкой аудитории, и платформа РТУ МИРЭА прекрасно справляется с этой задачей.

«Как индустриальный партнер, мы уверены, что развитие и популяризация квантовых вычислений на базе этой платформы откроет новые горизонты для научных исследований и прикладных решений в различных смежных отраслях. Мы с нетерпением ждем дальнейших успехов команды РТУ МИРЭА и надеемся на плодотворное сотрудничество в этой области», — говорит Андрей Сантьев.