Армянский потенциал квантовых технологий

В настоящее время развитие квантовых информационных и коммуникационных технологий стремительно переходит на новый уровень. Будущее за квантовыми технологиями и это уже данность нашего времени: область их теоретического и практического применения постоянно расширяется, в особенности в сфере информатики и компьютерных вычислений. По мнению подполковника в отставке, кандидата технических наук, программиста Армена Мурадяна, в этом контексте своевременный переход Армении на квантовые компьютерные технологии может открыть для нашей страны хорошие перспективы для развития экономики, тем более, что у нас уже проводятся разнообразные исследования в области разработки квантовых технологий.

Отметим, что Армен Мурадян, можно сказать, стоял у самых истоков компьютерных технологий: сразу же после окончания института он поступил на работу в Ереванский научно-исследовательский институт математических машин им.Мергеляна  (в отдел по созданию запоминающих устройств для компьютеров), а уже в аспирантуре перешел в тамошний отдел программирования.

С началом арцахской освободительной борьбы  А.Мурадян получил предложение работать в вычислительном центре Министерства обороны РА, где прошел путь от лейтенанта до подполковника, начальника отдела программирования. Выйдя в отставку, Мурадян вновь вернулся в родной институт, где продолжает работать и по сегодняшний день. Он автор более 30 научных публикаций.

— Пользуясь случаем, хочу озвучить очень актуальную для Армении тему — мощное развитие квантовых технологий и расширение сферы их применения, где наша страна может занять свою нишу. Отмечу, что сегодня  объем рынка продукции, производимой на основании квантовых технологий, неуклонно повышается и составляет приблизительно $3 трлн в год.

Уже сегодня современные смартфоны, сверхплоские телевизоры, планшеты, МРТ-сканеры и многие другие достижения квантовых технологий начинает “теснить” их новое воплощение — квантовый компьютер. Компания IBM, активно участвующая в разработках квантовых компьютеров, считает, что уже в ближайшие годы эти устройства могут составить реальную конкуренцию традиционным компьютерам. Германия в квантовые вычисления инвестирует 650 млн евро в год, а в России корпорация РОСАТОМ начала разработку квантового компьютера. За последние несколько лет компании Google, IBM, Intel и Microsoft создали крупные лаборатории и исследовательские центры и суммарно вложили около полумиллиарда долларов в развитие квантовых компьютеров. К слову, отмечу, что армянские студенты, пользуясь средствами интернета, уже получили возможность подключения к реальным квантовым компьютерам, находящимся, возможно, даже на другом континенте, и апробировать свои программы, написанные на специализированном для квантовых компьютеров языке Q++. Уже грядет вторая квантовая революция и мы не должны остаться в стороне от этого процесса.

— Пример уже готового квантового компьютера есть? И в чем его преимущества?

—  Одна из последних практических разработок — квантовый компьютер D-Wave 2 работает в 3,6 тысяч раз быстрее, чем любой суперкомпьютер, а если сравнивать его с обычным компьютером, то показатель увеличивается до 100 миллионов раз. Смотрите: со дня своего создания компьютеры прошли эволюцию: от огромных, громоздких ЭВМ на электронных лампах — к компьютерам и точной электронике с использованием свойств кристаллов. Менялись поколения компьютеров, и этот переход происходил не за счет количества, а именно изменения качества.  За счет уменьшения, детализации элементной базы, в разы увеличивался объем памяти компьютеров и скорость обработки данных. Дошло до того, что на одной маленькой плате умещались тысячи и тысячи транзисторов, однако эта технология достигла своего естественного предела — когда элементную базу, создаваемую на кристаллах, уже невозможно физически уменьшить. Должны были появиться компьютеры, основанные на новом качестве, и они появились — квантовые компьютеры, в которых элементной базой стал атом. Армении, особенно в военной сфере, жизненно важно применение квантовых технологий.

Приведу пример.  Наше министерство обороны регулярно перехватывает секретную информацию, которую передают азербайджанцы в закодированном формате. Для того, чтобы наш современный компьютер ее расшифровал путем перебора множественных шифров, потребуется 20 лет непрерывной работы. Квантовый компьютер делает это в течение нескольких секунд. То есть квантовые компьютеры обеспечивают качественно новый подход к вычислениям, преимуществом которого является сверхвысокая скорость обработки информации — в миллиард раз быстрее современных суперкомпьютеров. Квантовый эффект достигается за счет работы на субатомном уровне.  Постараюсь, избегая квантовой терминологии, привести грубые аналогии, чтобы было понятно неспециалистам, что происходит с материей и пространством на квантовом уровне. Из школьного курса физики мы знаем, что атом — это ядро, вокруг которого крутятся электроны. Так думали, пока на субатомном уровне ученые не поняли сущность квантового параллелизма. Вот я сижу один у себя в комнате (на нашем макроуровне это нормально). А если я скажу, что я сейчас сижу не только у себя на диване в комнате, но параллельно и в кухне, и на балконе, и в коридоре, то на квантовом уровне параллельных измерений это нормально.  То есть на квантовом уровне электрон не просто вращается вокруг атома, а в любой момент времени способен оказаться в любом месте, причем не в одном экземпляре. Он может появиться из ниоткуда и исчезнуть в никуда. Появилась новая элементная база, которыми оперируют квантовые компьютеры: она основана на так называемых кубитах. Последние  могут одновременно принимать значение логического ноля и логической единицы. Любой элемент предыдущего поколения компьютеров, на котором основана память компьютера, мог быть или в состоянии ноль, или единицы. Ну как лампочка, которая или горит, или нет. А вот кубиты — это что-то невообразимое: “лампочка и горит, и не горит” одновременно. А сверхбыструю скорость обработки данных кубиты обеспечивают за счет явления квантового параллелизма, когда одновременно реализуются все возможные варианты вычислительного процесса.

Вот, предположим, вам нужно прочесть миллиард книг, и среди них найти одну нужную строчку, конкретное предложение. Понятно, что если вы будете работать одна, неизвестно когда вы сможете ее найти и найдете ли вообще за свою жизнь. А квантовый эффект приводит к тому, что вы превращаетесь в миллиард Ирин, каждая из которых по отдельности и они все вместе одновременно просматривают по одной книге. И та Ирина, которая обнаружит эту нужную строчку, тут же выдает эту информацию. Это не совсем корректная с профессиональной точки зрения модель описания квантового параллелизма, но она позволяет примитивно объяснить, чем обусловлено быстродействие квантового компьютера.  Ранее для получения кубитов использовали сверхнизкие температуры, специальные саркофаги, в которых температура была чуть-чуть выше абсолютного ноля, с максимальной изоляцией внутренней камеры с процессором от всех воздействий внешней среды. В итоге квантовые компьютеры были чрезвычайно дорогостоящие, не стабильные и малоэффективные. Однако в настоящее время кубиты стали получать из так называемых “дефектных” алмазов, что обеспечило устойчивость квантового эффекта при комнатной температуре. Этот серьезный технологический прорыв, к сожалению, не получил широкого оповещения и огласки, мало известен даже современным армянским научным кругам. Он позволил на порядки снизить себестоимость квантовой вычислительной техники, сделать ее рентабельной, ознаменовал переход к практическому применению и это — главная причина, почему я озвучил эту тему. В Армении пришло время серьезно обратить внимание на производство кубитов, а впоследствии, на их основе, — и квантовых компьютеров. Производство кубитов само по себе  принесет огромную прибыль, так как скоро кубиты будут очень востребованы. Их производство позволит нам своевременно занять нужную технологическую и экономическую нишу, а это уже стратегический момент. Конечно, нынешние квантовые компьютеры пока не могут работать отдельно — они функционируют в паре с обычным компьютером. Но серьезный сдвиг уже произошел и появление более компактных квантовых компьютеров — дело времени.

— Теперь поговорим о возможностях Армении, ее потенциале в области квантовых технологий, в частности, квантовых компьютеров?

— У нас проводятся разнообразные исследования в разработке различных квантовых технологий, например роста объемных оксидных монокристаллов и тонких пленок для устройств современной квантовой электроники. Ну, а наш опыт по обработке ювелирных изделий на алмазной основе, где Армения занимает лидирующие позиции, может стать тем фундаментом, на котором можно внедрить и развивать квантовые технологии. В частности, создать элементную базу для квантовых компьютеров, так называемую подложку из “дефектных алмазов” — кристаллическую решетку алмаза, в которой удалось заменить какой-либо атом углерода атомом кремния или атомом азота, т.е. индуцировать точечные дефекты в кристалле драгоценного камня. После этого атом, который удалось внедрить в кристаллическую решетку, начинает проявлять квантовые эффекты. Наличие в нашей стране большого числа специалистов — физиков, технологов, химиков, математиков и др. — позволит реализовать технологии  удаления атома углерода из узла кристаллической решетки алмаза и воздействия на электронный спин кубита магнитным, электрическим и микроволновым полями, что даст возможность записывать и хранить квантовую информацию. У нас есть научно-исследовательские институты, в которых разрабатывались компьютеры практических всех поколений, и это наш очень и очень серьезный козырь. “Рубикон уже перейден”, уже в бешеном темпе развиваются квантовые технологии и программирование для квантовых компьютеров. Если своевременно будет создана база по производству кубитов, только за счет патентов можно будет заработать огромные деньги.