Кванты IТ-будущего России

Новые технологии для микросхем позволят вырваться в лидеры

Весной 2022 года Россия «пошумела» в информационном пространстве с двумя новинками в области квантовых вычислений. Это хорошая заявка на борьбу за лидерство в перспективе наступления новой эры ЭВМ. Куда ведет квантовый вектор развития нашей страны, читателям RSpectr рассказал исполнительный директор консорциума «РосСХД» Олег Изумрудов.

КУБИТЫ И КУДИТЫ

В апреле 2022 года специалисты из МФТИ сообщили о создании первой отечественной пятикубитной интегральной схемы для квантового машинного обучения.

Кубиты – это специальные квантовые объекты информации. Их главное свойство – способность находиться одновременно в двух состояниях, то есть в особом – суперпозиции. Это и есть их принципиальное отличие от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.

Примечательность разработки состоит в том, что глава IBM Арвинд Кришна не так давно открыто выражал сомнения в способности нашей страны осуществить какие-либо прорывы в области квантовых вычислений своими силами.

Разработчики решения подчеркнули, что даже в представленной стадии прототипа оно может применяться в квантовом машинном обучении

Интегральная квантовая схема позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов и подходит для создания универсального квантового компьютера (КК).

Затем в мае этого года последовало продолжение: группа ученых из Российского квантового центра получила патент на реализацию КК на основе кудитов.

Кудиты – это многоуровневые квантовые системы, которые могут находиться одновременно в более чем двух состояниях за счет использования для вычислений атомов, ионов, частиц света и фотонов.

Кодирование информации таким способом позволяет фиксировать гораздо большее количество состояний, чем в традиционных вычислениях или при использовании кубитов. Более высокая плотность шифрования в физических носителях позволит реализовывать более сложные квантовые алгоритмы, а потенциальную мощность процессора на такой технологии в буквальном смысле трудно представить.

На основе этого решения уже разработан прототип квантового процессора, а к концу 2024 года с его использованием планируют построить универсальный КК. Аналоги такого процессора есть только в США, Китае и Австрии. Словом, А.Кришна оказался драматически неправ.

СПРАВКА

• Дорожная карта развития квантовых технологий в РФ сформирована в 2020 году.
• На разработки в период 2020–2024 годов выделят 23,66 млрд рублей. Наиболее дорогостоящая статья – разработка квантовых процессоров нескольких типов (18,6 млрд рублей).
• Цель: к 2030 году в России должен появиться как минимум один квантовый стартап-«единорог» с капитализацией более миллиарда долларов.

КРЕМНИЙ – ВСЕ?

Как развивать эти успехи дальше? Интересный вопрос.

Часто приходится слышать о нашей отсталости в части собственного производства IТ-компонентов. А также о том, что мы можем только разрабатывать, но не производить, и сколько нужно вложить в такие предприятия, и перспективах освоения процесса хотя бы в 65 нанометров.

Оборудование для этого у нас есть, но сам процесс до сих пор не освоен, а надо бы уже двигаться вперед

На тайваньской фабрике TSMC сегодня пытаются внедрить процесс в 3 нанометра. И все это так, но здесь возникает интересный момент. С миниатюризацией технологического процесса в перспективе исчерпаются возможности кремния для IТ-производства.

Физический предел литографического техпроцесса для кремния – это 1,4 нанометра. Меньше – литографический сканер уже начинает проваливаться сквозь кристаллическую решетку кремния, и дальнейшее увеличение количества транзисторов на единицу площади путем уменьшения размера самих транзисторов становится невозможным.

Что делать и куда смотреть? Куда вкладывать деньги? Сам факт появления таких вопросов означает наступление следующего технологического цикла, новой эры. И дело тут не столько в процессах, сколько в материалах. Ведь кремний не является первым полупроводником. Ему предшествовало активное использование германия. Значит, будет и третий массовый полупроводниковый материал: это диктует вся логика развития отрасли.

НАШ АРСЕНИД ДЛЯ ПРОРЫВА

И им станет, скорее всего, арсенид галлия (GaAs). Это химическое соединение галлия и мышьяка с полупроводниковыми свойствами. Он уже используется в промышленности для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, фотоприемников и детекторов ядерных излучений.

В чем его потенциал применительно к квантовым вычислениям? На арсениде можно строить трехмерные структуры, в отличие от кремния с двухмерной парадигмой печати микросхем.

Грубо говоря, кремниевая технология – это печать на плоском принтере обычной фотографии, а арсенид галлия – своего рода 3D-принтер для получения трехмерных объектов. Это совсем другой технологический уровень и иные возможности.

Хорошие новости в том, что производство на арсениде галлия в России есть, и оно активно развивается. Несколько новых предприятий откроются в течение года-полутора

Синергетический эффект от успехов в квантовых архитектурах и развитии микросхем на арсениде галлия может оказаться нашим общим билетом в совершенно новое технологическое будущее.

В кремниевой парадигме мы догоняем, но с арсенидом и квантовыми архитектурами можно оказаться в числе лидеров с первого дня «новой техноэры».

НЕБИНАРНОСТЬ В ХОРОШЕМ СМЫСЛЕ СЛОВА

Мы можем стать свидетелями отказа от бинарной или цифровой электроники. В чем ее суть?

Все операции построены на бинарном состоянии: 0 и 1 для передачи данных внутри системы. «0», «прерывание», «1», «прерывание» и так далее. Отсюда и название технологий – «цифровые», компьютер работает на основе операций с цифрами. Соответственно, чтобы увеличить пропускную способность, производительность, нужно повысить частоту. И это единственный способ.

Бинарный цифровой компьютер может рассчитать какой-то сложный прогноз методом рядов Фурье или выполнить сверхсложное уравнение. Но в бинарной парадигме на кремнии даже самые мощные современные компьютеры потратят на такие расчеты временной отрезок в …100 тыс. лет.

Квантовые компьютеры позволяют оперировать цифрами, а также массой других сущностей, ставя их в огромное количество состояний одновременно Время, необходимое для расчета того же уравнения, в квантовых реалиях со 100 тыс. лет сократится до одного мгновения. Результат можно будет получить так же просто и быстро, как сложить два и два на калькуляторе.

Количество состояний, которое нужно обсчитать в таких сложных уравнениях, – это бесконечное количество математических процедур. Бинарный компьютер может просчитывать только одно значение в единицу времени и потом прогонять его через вычислитель. Квантовый же позволяет одновременно брать бесконечное множество таких значений, что сокращает время расчетов на несколько порядков.

СВОИМ ПУТЕМ

Нам не надо гнаться за кремниевыми нанометрами. IТ-отрасли РФ нужно двигаться в сложные трехмерные полупроводниковые структуры.

Да, для мобильных устройств кремниевые технологии являются идеальными, потому что они производительные, компактные и позволяют делать портативные цифровые устройства. Совсем пренебрегать кремнием, конечно, не стоит. Но подлинное будущее вычислений все-таки за аналоговыми технологиями, то есть за квантовыми процессорами на новых материалах.

Если по кремнию, будем честны, мы отстаем, то по аналоговым вычислителям мы вполне можем стать законодателями мод. Все исходные данные для этого у нас есть: и уровень производственных возможностей, и кадры, и математическая модель под развитие. Самое время стартовать.

Изображение: RSpectr, Adobe Stock, Freepik