Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)

У доповіді проаналізовано сучасний стан проблеми, пов’язаної зі створенням квантового комп’ютера як реально працюючого приладу, яку світова наукова спільнота визначає як одне з найважливіших фундаментальних завдань фізики у XXI ст. Наголошено, що в основі роботи квантового комп’ютера лежать результа...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2022
Main Author:	Шевченко, С.М.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2022
Series:	Вісник НАН України
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185014
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.) / С.М. Шевченко // Вісник Національної академії наук України. — 2022. — № 2. — С. 35-43. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-185014
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1850142025-02-09T12:49:28Z Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.) Quantum computer: the state of the problem in the world and in Ukraine (Transcript of the report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, December 8, 2021) Шевченко, С.М. З кафедри Президії НАН України У доповіді проаналізовано сучасний стан проблеми, пов’язаної зі створенням квантового комп’ютера як реально працюючого приладу, яку світова наукова спільнота визначає як одне з найважливіших фундаментальних завдань фізики у XXI ст. Наголошено, що в основі роботи квантового комп’ютера лежать результати фундаментальних досліджень у галузі квантової фізики. Сьогодні у світі активно розробляють квантові технології, які, як очікується, будуть впроваджені вже в найближчому майбутньому і забезпечать проривні результати в багатьох сферах суспільного життя: від криптографії до моделювання масштабних систем, опису та передбачення перебігу надскладних процесів тощо. Розглянуто внесок українських учених у вивчення квантових систем, розвиток квантових технологій та вирішення фізичних проблем, що виникають при реалізаціях елементів квантового комп’ютера. The report analyzes the current state of the problem of creating a quantum computer as a real working device, which the world scientific community identifies as one of the most important fundamental tasks of physics in the XXI century. It is emphasized that the work of the quantum computer is based on the results of basic research in the field of quantum physics. Today, the world is actively developing quantum technologies, which are expected to be implemented in the near future and provide breakthrough results in many areas of public life: from cryptography to modeling large-scale systems, description and prediction of complex processes and more. The contribution of Ukrainian scientists to the study of quantum systems, the development of quantum technologies and the solution of physical problems that arise in the implementation of elements of the quantum computer is considered. 2022 Article Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.) / С.М. Шевченко // Вісник Національної академії наук України. — 2022. — № 2. — С. 35-43. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2022.02.035 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185014 uk Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Шевченко, С.М. Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.) Вісник НАН України
description	У доповіді проаналізовано сучасний стан проблеми, пов’язаної зі створенням квантового комп’ютера як реально працюючого приладу, яку світова наукова спільнота визначає як одне з найважливіших фундаментальних завдань фізики у XXI ст. Наголошено, що в основі роботи квантового комп’ютера лежать результати фундаментальних досліджень у галузі квантової фізики. Сьогодні у світі активно розробляють квантові технології, які, як очікується, будуть впроваджені вже в найближчому майбутньому і забезпечать проривні результати в багатьох сферах суспільного життя: від криптографії до моделювання масштабних систем, опису та передбачення перебігу надскладних процесів тощо. Розглянуто внесок українських учених у вивчення квантових систем, розвиток квантових технологій та вирішення фізичних проблем, що виникають при реалізаціях елементів квантового комп’ютера.
format	Article
author	Шевченко, С.М.
author_facet	Шевченко, С.М.
author_sort	Шевченко, С.М.
title	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)
title_short	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)
title_full	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)
title_fullStr	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)
title_full_unstemmed	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)
title_sort	квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в україні (стенограма доповіді на засіданні президії нан україни 8 грудня 2021 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2022
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185014
citation_txt	Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.) / С.М. Шевченко // Вісник Національної академії наук України. — 2022. — № 2. — С. 35-43. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT ševčenkosm kvantovijkompûterstanproblemiusvítítavukraínístenogramadopovídínazasídanníprezidíínanukraíni8grudnâ2021r AT ševčenkosm quantumcomputerthestateoftheproblemintheworldandinukrainetranscriptofthereportatthemeetingofthepresidiumofnasofukrainedecember82021
first_indexed	2025-11-26T00:40:56Z
last_indexed	2025-11-26T00:40:56Z
_version_	1849811441805164544
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2022, № 2 35 КВАНТОВИЙ КОМП’ЮТЕР: СТАН ПРОБЛЕМИ У СВІТІ ТА В УКРАЇНІ Стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 року У доповіді проаналізовано сучасний стан проблеми, пов’язаної зі створен- ням квантового комп’ютера як реально працюючого приладу, яку світо- ва наукова спільнота визначає як одне з найважливіших фундаменталь- них завдань фізики у XXI ст. Наголошено, що в основі роботи квантового комп’ютера лежать результати фундаментальних досліджень у галузі квантової фізики. Сьогодні у світі активно розробляють квантові тех- нології, які, як очікується, будуть впроваджені вже в найближчому май- бутньому і забезпечать проривні результати в багатьох сферах суспіль- ного життя: від криптографії до моделювання масштабних систем, опису та передбачення перебігу надскладних процесів тощо. Розглянуто внесок українських учених у вивчення квантових систем, розвиток квантових технологій та вирішення фізичних проблем, що виникають при реалізаціях елементів квантового комп’ютера. Добрий день, шановні колеги! У своїй доповіді я хотів би розповісти про квантовий комп’ютер з точки зору фізика-теоретика. Щоб пояснити, чому кванто- ві обчислення з кубітами є важливою науковою і технічною проблемою, варто нагадати, що у 2012 р. Нобелівську премію з фізики отримали Серж Арош і Девід Вайнленд «за прорив- ні експериментальні методики, які дозволяють вимірювати і маніпулювати індивідуальними квантовими системами». Тоді у пресрелізі Нобелівського комітету було сказано, що «нова- торські методи, запропоновані лауреатами, дозволили зробити перші кроки на шляху до створення надшвидкого комп’ютера нового типу, який ґрунтується на законах квантової фізики», і висловлено думку, що ми зараз перебуваємо на межі нової комп’ютерної революції. В цьому контексті ще говорять про другу квантову революцію, оскільки нинішній рівень техноло- гій є результатом і наслідком першої квантової революції, яка розпочалася в першій половині минулого століття, коли вче- ні пізнали закони і особливості квантового світу та описали його об’єкти, а інженери запропонували технології та пристрої, ШЕВЧЕНКО Сергій Миколайович — доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу надпровідних та мезоскопічних структур Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2022.02.035 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2022. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ принцип дії яких оснований на керуванні ко- лективними квантовими явищами на макро- рівні. «Можливо, квантовий комп’ютер, — йдеться далі у пресрелізі Нобелівського комітету, — так само радикально змінить наше повсякденне життя в цьому столітті, як у попередньому сто- літті це зробив класичний комп’ютер». Тобто в основі реалізації цього очікуваного квантового прогресу лежать результати фундаментальних досліджень у галузі квантової фізики. Саме вони є підґрунтям для розуміння роботи кван- тового комп’ютера та запорукою прискорення революції квантових обчислень. Відтоді минуло дев’ять років, і сьогодні квантові комп’ютери — це вже не гіпотетичні, а цілком реальні, майже комерційні прилади. Отже, обговоримо детальніше це важливе су- часне поняття — «квантовий комп’ютер». Квантові технології загалом і квантові комп’ютери зокрема ґрунтуються на суперпо- зиційних станах. Щоб зрозуміти, про що саме йдеться, звернімося до основоположного для інформатики поняття «біт» як одиниці ви- мірювання кількості інформації. У звичному нам «макросвіті» біт може набувати значення 0 або 1. Однак 40 років тому, в 1981 р., Річард Фейн- ман, один з творців квантової електродинаміки і лауреат Нобелівської премії з фізики 1965 р., висловив думку, що «природа не є класичною, і якщо ми хочемо моделювати природу, ми по- винні робити це квантово-механічно». Як при- йнято вважати, з цього моменту і починають свій відлік квантові технології. Розглядаючи квантові технології, ми потра- пляємо до так званого квантового світу, в яко- му одиницею інформації є квантовий біт, або кубіт. Кубітом може бути в принципі будь-яка квантова система з двома станами або з двома рівнями. Проте дуже важливо, що така система може перебувати в станах «0» та «1» одночас- но. Ми описуємо такий стан системи за допо- могою хвильової функції:  = , яка кількісно вказує, що система (кубіт) з пев- ною ймовірністю, визначеною коефіцієнтами і , перебуває в стані «0» і в стані «1» відпо- відно. Однак ще раз підкреслю, що, на відміну від макросвіту, у квантовому світі система зна- ходиться одночасно в цих двох станах. З одного боку, як я вже сказав, майже будь- яка дворівнева система може бути кубітом, але з іншого боку, різні реалізації мають свої переваги й недоліки. Тому сьогодні вивчають найрізноманітніші фізичні реалізації кубітів. Йдеться і про мікроскопічні системи, такі як іони в електромагнітних пастках, поляризацій- ні стани фотонів у резонаторі, спіни електро- нів, ядер тощо, і про системи, які складаються з великого числа частинок, з характерним роз- міром порядку мікрометрів, тобто системи, що мають мезоскопічні (проміжні) і навіть макро- скопічні масштаби, наприклад електронні ста- ни в квантових точках, заряд або фаза в над- провідникових структурах та ін. Наведу два важливі приклади, на яких більш детально поясню особливості практичних реа- лізацій кубітів. По-перше, це спіновий кубіт, тобто кубіт, який можна реалізувати на основі спіну елек- Рис. 2. Реальна система, в якій роль спінового кубіта відіграє стан електро- на на домішці в польовому транзисторі [1] Рис. 1. Спіно- вий кубіт ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2022, № 2 37 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ трона. Спін — це власний момент імпульсу елементарної частинки, і постійне магнітне поле задає дві його поляризації, тобто спрямо- вує спін по полю чи проти поля (рис. 1). Це і є логічні «0» та «1». Змінне магнітне поле пере- вертає спін. Наприклад, поворот з «0» в «1» — це виконання логічної операції «НІ» (NOT). Звичайно ж, реальні системи є більш складни- ми, ніж описана вище схема. Для ілюстрації на рис. 2 наведено систему на основі напівпровід- ників, яку ми вивчаємо спільно з японськими дослідниками з науково-дослідного інституту RIKEN. У цій структурі роль спінового кубіта відіграє стан електрона на домішці в польово- му транзисторі. Другий приклад — це найбільш поширені на сьогодні кубіти на основі надпровідників. Їх ще називають джозефсонівськими кубітами, оскільки вони реалізуються на основі ефекту Джозефсона, який полягає в протіканні над- провідного струму через тунельний (джозеф- сонівський) контакт, що складається з двох надпровідників, просторово розділених тон- ким шаром діелектрика або ненадпровіднико- вого металу. Це явище названо на честь бри- танського фізика Браяна Джозефсона, який у 1962 р. передбачив його теоретично, а після експериментального підтвердження отримав Нобелівську премію з фізики за 1973 р. Принагідно хочу наголосити, що традиційно в нашому Фізико-технічному інституті низь- ких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України проводяться дослідження в цьому напрямі, оскільки ефект Джозефсона є дуже важли- вим для фізики надпровідності. І ми пишає- мося тим, що в 1964 р. нестаціонарний ефект Джозефсона було безпосередньо спостереже- но співробітниками ФТІНТу І.К. Янсоном, В.М. Свистуновим та І.М. Дмитренком. Один з видів таких кубітів — потоковий (рис. 3) являє собою кільце з контактами, яке пронизує контролюючий магнітний потік. Зверніть увагу, що струм у кільці може текти за годинниковою стрілкою (стан 1) чи проти годинникової стрілки (стан 0) і, що особливо важливо для такого мезоскопічного об’єкта, перебувати в суперпозиції цих двох станів. Рис. 3. Потоковий кубіт [2] Рис. 4. Сис- тема з двох по в’я заних кубітів [3] Приблизно 20 років тому, на межі тисячоліть, це було надійно показано в експерименті. Од- нак, крім ефекту Джозефсона, для реалізації таких кубітів потрібні дуже низькі, менші, ніж у космічному просторі, температури — близь- ко 20 мК. На рис. 4 наведено реальну систему, яку ми досліджували разом з нашими німецькими колегами з Інституту фотонних технологій у м. Єна і яка складається з двох пов’язаних один з одним кубітів, під’єднаних до мікроелектрон- них пристроїв, що контролюють і зчитують їх- ній стан. Квантові комп’ютери можуть вирішувати деякі завдання набагато швидше, ніж сучасні, навіть найпотужніші, звичайні комп’ютери. Цю їх особливість називають квантовою пере- вагою, і в її основі лежать такі фундаменталь- ні принципи, як суперпозиція та заплутаність станів. Повернімося до суперпозиційного ста- ну одного кубіту. Його графічно зображено на рис. 5. Дві стрілки показують базисні стани «0» і «1» на полюсах сфери, а суперпозиційний стан — це будь-яка точка на сфері, яка задаєть- ся коефіцієнтами хвильової функції. Тобто у microwa e antennav fl u x b ia s li n e fl u x b ia s li n e q u b it b q u b it a 10 m� 38 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2022. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ суперпозиції ми маємо нескінченну множину станів на сфері замість лише двох можливос- тей для класичного біта. Це і є сенс принципу квантової переваги. Щоб розібратися в квантовій заплутаності, порівняємо ситуації на прикладі двох класич- них та двох квантових бітів. У класичному коді з двох бітів можна утворити чотири комбіна- ції: 00, 01, 10, 11. До речі, ці коди задають перші чотири числа — від нуля до трьох. Квантовий стан двох кубітів описується суперпозицією всіх можливих станів, і така квантова система, як кажуть, перебуває в заплутаному стані, тоб- то в усіх цих чотирьох станах одночасно. Квантова система описується чотирма комп- лексними числами. Тому для емуляції двох ку- бітів потрібно набагато більше бітів (якщо одне комплексне число займає 64 біти, то для двох кубітів знадобиться 64·22 бітів). Для N кубітів є 2N можливих станів та 2N комплексних чисел, а це означає, що для емуляції N кубітів потріб- но експоненціально (!) більше бітів. Сучасні квантові комп’ютери можуть мати кілька десятків пов’язаних кубітів у заплута- ному стані. Якщо кубітів, скажімо, 50, то об- числювальний простір має 250 станів, що при- близно дорівнює 1015, або 1 петабайт. Оскільки квантовий комп’ютер може працювати зі всіма цими станами одночасно (це називається кван- товий паралелізм), то 50 кубітів можуть пра- цювати з 1 петабайтом інформації. Для порів- няння: пам’ять наших найкращих комп’ютерів становить 1 терабайт (1012 байтів), тобто в тисячу разів менша. А ось 70 кубітів можуть Рис. 5. Сфера Блоха, що зо- бражує супер- позиційний стан кубіта мати 1021 станів — 1 зетабайт, що за порядком відповідає обсягу всієї цифрової інформації на Землі, а отже, квантовий комп’ютер, який ви- користовує всі 270 станів, може виконувати об- числення, які в принципі неможливо виконати в інший спосіб. Два роки тому, в 2019 р., науковці з компа- нії «Гугл» вперше наочно продемонстрували квантову перевагу [5]. Дослідники вивчали систему з 53 надпровідникових кубітів. Вони назвали свій кубітний процесор Sycamore (Платан). У проведеному ними тесті Платан за 200 секунд виконав певне математичне завдан- ня, на яке одному з найпотужніших сучасних класичних суперкомп’ютерів* знадобилося б 10 тис. років, а для виконання того самого екс- перименту на сервері Google Cloud — 50 трлн годин, або 5,7 млрд років. У 2020 р. подібний експеримент провели до- слідники з Китайського університету науки і технологій, які використовували квантовий 76-кубітний комп’ютер на фотонах — Jiuzhang (Цзючжан), названий на честь давньокитай- ського математичного тексту «Математика в дев’яти книгах». Цей квантовий комп’ютер вдруге продемонстрував квантову перевагу, виконавши за 200 секунд певну математичну процедуру, на що найшвидшому класичному комп’ютеру знадобилося б 1 млрд років [6]. Отже, ми бачимо, що число пов’язаних кубі- тів є одним з найважливіших кількісних показ- ників прогресу в галузі квантових обчислень. Цей прогрес можна продемонструвати на при- кладі проєкту компанії IBM — Quantum Expe- rience (квантовий досвід). В IBM налічується вже 40 працюючих квантових машин на осно- ві надпровідникових кубітів. Важливо, що при цьому компанія відкрила вільний доступ до своїх квантових комп’ютерів для всіх охочих, і зараз уже зареєстровано 325 тис. користувачів. *Йдеться про суперкомп'ютер Summit, запущений у США у 2018 р., який характеризується розрахунко- вою потужністю 200 тис. трлн операцій за секунду і складається з 4608 обчислювальних серверів, на кож- ному з яких встановлено два 22-ядерні процесори IBM Power9, а вбудована пам'ять сягає 10 петабайтів. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2022, № 2 39 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ У таблиці наведено дані, які ілюструють що- річне зростання кількості кубітів у квантовому процесорі та їх зростання, заплановане на най- ближчу перспективу. Як бачимо, кількість кубі- тів збільшується майже вдвічі за рік, що нагадує класичний закон Мура, згідно з яким потуж- ність комп’ютерів подвоюється що два роки. З огляду на такий стрімкий розвиток кван- тових процесорів природно постає запитан- ня: чи замінить квантовий комп’ютер класич- ний? Фахівці провідних компаній світу, які вивчають потенційні можливості квантових комп’ютерів, на сьогодні вважають, що у серед- ньостроковій перспективі квантові комп’ютери будуть досить спеціалізованими пристроями, призначеними для високопродуктивних об- числень. У певному сенсі подібно до того, як інші квантові прилади — лазери — не замінили всі джерела світла. Потенційні задачі для квантових ко мп’ю те- рів, тобто ті задачі, які квантовий комп’ютер може вирішувати більш ефективно, ніж кла- сичний, умовно можна поділити на три групи: 1) моделювання квантових об’єктів, або си- муляція, — опис квантових систем, простіше кажучи, те, про що, як я згадував на початку доповіді, говорив Річард Фейнман; подібні завдання постають у фізиці твердого тіла, ма- теріалознавстві, хімії, при розробленні нових ліків тощо, і тут квантові комп’ютери можуть дати значну економію енергоресурсів; 2) задачі оптимізації, пов’язані з обробкою великих масивів даних (big data) і важливі для забезпечення комп’ютерного пошуку, застосу- вань у галузі логістики, транспорту та ін.; 3) задачі шифрування/дешифрування ін- формації, пов’язані з розкладанням великих чисел на прості множники; ці завдання важливі для гарантування безпеки передачі інформації. Очевидно, що такі надзвичайні можливості квантових комп’ютерів стимулюють інтерес до них, що зумовлює підтримку відповідних досліджень з боку різних фінансових інститу- тів, особливо у Сполучених Штатах Америки та Китаї. У Європі, наприклад, започатковано програму European Quantum Flagship (Євро- пейський квантовий флагман), яка старту- вала у 2018 р. і в якій задіяно більш як 5 тис. науковців. На цю програму, розраховану на 10 років, планується витратити понад 1 млрд євро. На рис. 6 наведено дуже показову діагра- му зі статті про розподіл грантів у рамках цієї програми [7], з якої стає зрозумілим, які саме дослідження сьогодні пов’язують з розвитком квантових технологій. Перше місце посіда- ють фундаментальні дослідження, оскільки в цій галузі отримання нових знань є ключовим фактором, потім — метрологія, комп’ютерні науки, комунікації та ін. Отже, проблема кван- тових комп’ютерів та квантових обчислень — це одна з гілок на великому дереві квантових технологій. Українські науковці також роблять вне- сок у вирішення фізичних проблем створен- ня та вдосконалення елементів квантового комп’ютера. Наскільки мені відомо, останніми роками дослідження в галузі квантових техно- логій проводять такі наукові групи: Рис. 6. Розподіл грантів за напрямами у європейській програмі European Quantum Flagship [7] Зростання числа кубітів у квантових процесорах IBM по роках Роки Процесор і число кубітів 2019 Falcon (Сокіл) — 27 2020 Hummingbird (Колібрі) — 65 2021 Eagle (Орел) — 127 2022 Osprey (Скопа) — 433 2023 Condor (Кондор) — 1121 Потім 1 млн і більше 40 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2022. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ • Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України — Л.А. Пастур, О.М. Омельянчук, С.М. Шевчен- ко та ін. вивчають твердотільні кубіти, заплу- тані стани; • Інститут фізики НАН України — Л.П. Яценко, А.М. Негрійко, А.А. Чумак та ін. займаються динамікою квантових систем, квантовими логічними операціями, квантовою метрологією; • Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Бо- голюбова НАН України — група А.О. Семе- нова працює в галузі квантових комунікацій, неуніверсальних квантових обчислень, кван- тової оптики; • Київський національний університет іме- ні Тараса Шевченка — І.П. Пінкевич, І.М. Дми- трук створили освітньо-наукову програму «Квантові комп’ютери, обчислення та інфор- мація»; • Київський академічний університет — під керівництвом О.А. Кордюка започатковано Центр квантових матеріалів та технологій, у якому вивчають надпровідникові матеріали для реалізації кубітів і готують висококваліфі- ковані кадри; • Інститут математики НАН Украї- ни — В.Л. Островський, Ю.С. Самойленко, Д.Ю. Якименко та ін. створюють алгебраїчні структури для квантових протоколів; • Львівський національний університет іме- ні Івана Франка — група В.М. Ткачука займа- ється симуляціями на квантовому комп’ютері; в університеті діє освітньо-наукова програма «Квантові комп’ютери та квантове програму- вання». Наведу лише три конкретні приклади роз- витку цих досліджень у нашому Фізико-техніч- ному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєр- кіна НАН України. Перший напрям наших досліджень — це ін- терферометрія Ландау—Зінера—Штюкельбер- га—Майорани. Витоки його сягають далекого 1932-го року, коли ці молоді науковці вивчали переходи у дворівневих системах (кубітах за сучасною термінологією). Якщо таку дворів- неву систему почати збуджувати, тобто зміню- вати її параметри, можуть відбуватися перехо- ди між її станами, відомі сьогодні як переходи ЛЗШМ. Якщо такий перехід відбувається двічі або періодично, ця еволюція приводить до квантової інтерференції. На рис. 7 наве- дено приклад результату такої інтерферен- ції — залежність заселеності стану кубіта від контролюючих параметрів. На початку допо- віді я згадував про важливість індивідуального контролю квантових систем, і це одна з таких можливостей. Тому ми продовжуємо розвива- ти цей ключовий інструмент характеристики та контролю за квантовими системами [8]. Другий напрям пов’язаний з надпровід- никовими детекторами одиничних фотонів (рис. 8). Річ у тім, що квантова перевага, крім власне переваги, породжує і певні загрози. Че- рез небачену раніше потужність квантових об- числень потенційно вразливими стають тради- ційні криптографічні алгоритми та пов’язаний з ними захист даних [9]. Тому одним з пріори- тетних завдань є гарантування інформацій- ної безпеки держави та створення надійного захисту інформаційних мереж. Такий захист може забезпечити квантова криптографія, яка на відміну від традиційної, що оперує матема- Рис. 7. Заселе- ність верхнього рівня спінового кубіта, як функ- ція параметрів, що контролю- ють його стан [1] Рис. 8. Надпровідникові детектори одиничних фотонів ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2022, № 2 41 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ тичними методами шифрування, сфокусована на суто фізичних явищах, що виникають при передачі інформації за допомогою квантово- механічних об’єктів. У 2018 р. швейцарська фірма ID Quantique продемонструвала квантову криптографію з передачею квантового ключа по оптоволокну на рекордні 421 км [10]. Це стало можливим завдяки використанню високоефективних од- нофотонних детекторів на основі ультратон- ких надпровідних плівок молібден–кремній. Уперше у світі такі MoSi-детектори було роз- роблено за участю співробітників ФТІНТу. Створені високоефективні детектори на осно- ві ультратонких (3—6 нм) наноструктурованих (ширина смужки 100 нм) плівок аморфного надпровідника MoSi для реєстрації фотонів з довжиною хвилі 1550 нм можуть бути, зокре- ма, вбудовані в інтегрально-оптичні хвилево- ди. В таких інтегрованих детекторах досягнуто квантової ефективності детектування фотонів на чипі, що становить 73 % за низького рівня темнових відліків (<10/с) [11—13]. Слід зауважити, що надпровідникові одно- фотонні детектори є дуже важливими елемен- тами для таких застосувань, як фотонні кван- тові комп’ютери та системи квантової крип- тографії. А тому наші розробки зі створення одного зі складників фізичної реалізації кван- тово-криптографічних пристроїв уможливлю- ють появу вітчизняних захищених квантово- криптографічних ліній. Третій напрям — це надпровідні квантові ме- таматеріали. Звичайний матеріал складається з атомів, але атом — природний елемент, яким практично неможливо керувати. Метаматеріал складається з так званих метаатомів — штуч- но виготовлених елементів у вигляді мікро- схем. Маніпулювати ними дуже легко. У на- ших дослідженнях [14—16] роль метаатомів відіграють надпровідникові кільця з контакта- ми Джозефсона — так звані ВЧ-НКВІДи. На рис. 9 наведено візуалізацію електромагнітних збуджень у масиві магнітнозв’язаних кілець ВЧ-НКВІДів, що формують метаповерхню. Ми й надалі плануємо досліджувати дина- міку кубітів та квантові кореляції в мезо- і ма- кросистемах, шукати нові матеріали для одно- фотонних детекторів, вивчати кубіти та мета- матеріали із джозефсонівськими структурами. Хотів би підкреслити, що ці та інші кванто- ві дослідження є надзвичайно важливими для розвитку фундаментальної науки на найсу- часнішому рівні, підготовки наукових кадрів у галузі квантових технологій, а також для наці- ональної безпеки нашої держави у сфері вико- ристання новітніх інформаційних технологій і створення надійного захисту інформаційних мереж. Однак необхідною запорукою успішного проведення подальших досліджень за цими напрямами є наявність власного виробництва скраплених азоту, гелію та водню, за допомо- Рис. 10. 50-кубітний квантовий комп’ютер IBM Q, який компанія представила у 2018 р. на виставці елек- троніки CES-2018 в Лас-Вегасі Рис. 9. Візуалізація електромагнітних збуджень у ма- сиві магнітнозв’язаних кілець ВЧ-НКВІДів [14] 42 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2022. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ гою яких забезпечується охолодження об’єктів при дослідженні їх фізичних властивостей за низьких та наднизьких температур. Наразі Фі- зико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України виробляє скра- плений гелій за допомогою зріджувального устаткування, яке було введено в експлуата- цію ще в 60-х роках ХХ ст. і сьогодні конче по- требує заміни на сучасну кріогенну апаратуру. І насамперед нашим експериментаторам необ- хідні зріджувач азоту та рефрижератори. Отже, можна тезисно сформулювати ви- сновки: • квантові комп’ютери (на рис. 10 наведено зовнішній вигляд одного з них) можуть вирі- шувати завдання, недоступні для класичних; • квантові технології основані на фундамен- тальних принципах квантової механіки (су- перпозиція, заплутування); • є різні фізичні реалізації кубітів — від мі- кро- до макроскопічних; • квантові технології — це локомотив розви- тку сучасних квантових наук; • в Україні є наукові та освітні напрацюван- ня і досягнення світового рівня. Дякую за увагу! REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Ono K., Shevchenko S.N., Mori T., Moriyama S., Nori F. Quantum interferometry with a g-factor-tunable spin qubit. Phys. Rev. Lett. 2019. 122: 207703. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.207703 2. Omelyanchuk A.N., Ilyichev E.V., Shevchenko S.N. Quantum coherent phenomena in Josephson qubits. Kyiv: Naukova Dumka, 2013 (in Russian). http://www.ilt.kharkov.ua/bvi/publisher/monographiya_2013.pdf [Омельянчук А.Н., Ильичев Е.В., Шевченко С.Н. Квантовые когерентные явления в джозефсоновских кубитах. Киев: Наукова думка, 2013.] 3. Izmalkov A., van der Ploeg S.H.W., Shevchenko S.N., Grajcar M., Il’ichev E., Hübner U., Omelyanchouk A.N., Mey- er H.-G. Consistency of Ground State and Spectroscopic Measurements on Flux Qubits. Phys. Rev. Lett. 2008. 101: 017003. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.017003 4. Shevchenko S.N. Mesoscopic Physics meets Quantum Engineering. World Scientific, Singapore, 2019. DOI: https:// doi.org/10.1142/11310 5. Arute F., Arya K., Babbush R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature. 2019. 574: 505—510. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5 6. Zhong H.-S., Wang H., Deng Y.-H. et al. Quantum computational advantage using photons. Science. 2020. 370(6523): 1460—1463. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abe8770 7. Castelvechhi D. Quantum projects get cash. Nature. 2018. 563: 14—15. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-018- 07216-0 8. Shevchenko S.N., Ashhab S., Nori F. Landau-Zener-Stueckelberg interferometry. Physics Reports. 2010. 492(1): 1—30. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physrep.2010.03.002 9. Grimes R.A. Cryptography apocalypse: preparing for the day when quantum computing breaks today’s crypto. John Wiley & Sons, 2019. 10. Boaron A., Boso G., Rusca D., Vulliez C., Autebert C., Caloz M., Perrenoud M., Gras G., Bussières F., Li M.-J., No- lan D., Martin A., Zbinden H. Secure Quantum Key Distribution over 421 km of Optical Fiber. Phys. Rev. Lett. 2018. 121(19): 190502. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.190502 11. Dobrovolskiy O.V., Bevz V.M., Mikhailov M.Y., Yuzephovich O.I., Shklovskij V.A., Vovk R.V., Tsindlekht M.I., Sachser R., Huth M. Microwave emission from superconducting vortices in Mo/Si superlattices. Nat. Commun. 2018. 9: 4927. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07256-0 12. Häußler M., Mikhailov M.Yu., Wolff M.A., Schuck C. Amorphous superconducting nanowire single-photon detec- tors integrated with nanophotonic waveguides. APL Photonics. 2020. 5(7): 076106. DOI: https://doi.org/10.1063/ 5.0004677 13. Korneeva Y.P., Mikhailov M.Yu., Pershin Yu.P., Manova N.N., Divochiy A.V., Vakhtomin Yu.B., Korneev A.A., Smirnov K.V., Sivakov A.G., Devizenko A.Yu., Goltsman G.N. Superconducting single-photon detector made of MoSi film. Supercond. Sci. Technol. 2014. 27(9): 095012. DOI: https://doi.org/10.1088/0953-2048/27/9/095012 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2022, № 2 43 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 14. Zhuravel A.P., Bae S., Lukashenko A.V., Averkin A.S., Ustinov A.V., Anlage S.M. Imaging collective behavior in an rf-SQUID metamaterial tuned by DC and RF magnetic fields. Appl. Phys. Lett. 2019. 114(8): 082601. DOI: https:// aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5064658 15. Wang H., Zhuravel A.P., Indrajeet S., Taketani B.G., Hutchings M.D., Hao Y., Rouxinol F., Wilhelm F.K., La- Haye M.D., Ustinov A.V., Plourde B.L.T. Mode structure in superconducting metamaterial transmission-line resona- tors. Phys. Rev. Appl. 2019. 11(5): 054062. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.054062 16. Leha A.A., Zhuravel A.P., Karpov A., Lukashenko A.V., Ustinov A.V. Phase-resolved visualization of radio-frequency standing waves in superconducting spiral resonator for metamaterial applications. Fiz. Nizk. Temp. 2022. 48(2): 119— 128. DOI: https://doi.org/10.1063/10.0009288 Sergey N. Shevchenko B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3655-0365 QUANTUM COMPUTER: THE STATE OF THE PROBLEM IN THE WORLD AND IN UKRAINE Transcript of the report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, December 8, 2021 The report analyzes the current state of the problem of creating a quantum computer as a real working device, which the world scientific community identifies as one of the most important fundamental tasks of physics in the XXI century. It is emphasized that the work of the quantum computer is based on the results of basic research in the field of quantum phys- ics. Today, the world is actively developing quantum technologies, which are expected to be implemented in the near future and provide breakthrough results in many areas of public life: from cryptography to modeling large-scale systems, description and prediction of complex processes and more. The contribution of Ukrainian scientists to the study of quan- tum systems, the development of quantum technologies and the solution of physical problems that arise in the implemen- tation of elements of the quantum computer is considered. Keywords: quantum computer, quantum technologies, spin qubit, flow qubit, superconducting single photon detectors, quantum metamaterials.

Квантовий комп'ютер: стан проблеми у світі та в Україні (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 8 грудня 2021 р.)

Institution

Similar Items