США определили восемь задач для проверки полезности квантовых компьютеров

Министерство энергетики США (DOE) представило восемь научных задач, по которым планируют оценивать будущие отказоустойчивые квантовые компьютеры. Они охватывают химию, материаловедение, субатомную физику и прикладную математику.

Перечень получил название Quantum Genesis Priority Applications (QGPA). Он станет основой для проверки научной значимости квантовых вычислений и разработки соответствующего оборудования и программного обеспечения.

Результаты планируют сопоставлять с возможностями современных суперкомпьютеров. Ведомство рассчитывает определить, в каких областях квантовые системы смогут обеспечить научные результаты, недоступные существующим классическим методам.

Какие задачи выбрало Минэнерго

DOE распределило восемь приоритетных задач по четырем направлениям:

1. Химия — исследователи сосредоточатся на моделировании механизмов сложных химических реакций и их динамики. В частности, речь идет о процессах, связанных с поглощением света, и поведении молекул в возбужденных состояниях.
2. Материаловедение — квантовые компьютеры будут использовать для изучения основных состояний квантовых материалов и их динамики в экстремальных условиях. Среди потенциальных объектов исследования — топологические материалы и сверхпроводники.
3. Субатомная физика — в перечень вошли моделирование динамики сильно взаимодействующей материи, изучение вещества при высокой плотности и исследование структуры атомных ядер.В частности, вычисления могут помочь разобраться во взаимодействиях, формирующих протоны и нейтроны, а также в поведении материи в условиях, характерных для некоторых ядерных процессов.
4. Прикладная математика — ведомство выделило решение систем линейных уравнений и уравнений в частных производных. Они лежат в основе моделирования множества физических процессов.

Для каждой задачи DOE предусмотрело примеры целевых вычислений, на которых можно будет проверять возможности будущих систем. Ведомство также продолжит изучать перспективы квантовых вычислений в физике плазмы, биохимии и оптимизации, однако эти направления пока не вошли в основной перечень.

От демонстраций к научной пользе

Квантовые компьютеры уже способны выполнять специализированные вычислительные тесты. Однако высокие результаты в таких испытаниях не обязательно означают преимущество при решении реальных исследовательских задач, поэтому главная цель инициативы — перейти от отдельных демонстраций возможностей квантовых процессоров к оценке их практической значимости для науки.

DOE предлагает оценивать будущие системы на конкретных научных проблемах, для которых возможности классических суперкомпьютеров ограничены. В ведомстве подчеркнули, что приоритетные приложения должны объединить разработчиков квантового оборудования, программного обеспечения и ученых из соответствующих областей.

При этом добавление задачи в перечень не означает, что квантовые компьютеры уже решают ее эффективнее классических. Речь идет о направлениях, в которых предстоит проверить потенциальное преимущество отказоустойчивых систем.

Конкурс на $215 млн

Новый перечень станет частью федеральной программы Quantum Genesis, направленной на создание научно значимых отказоустойчивых квантовых компьютеров.

17 сентября DOE объявило конкурс Q Competition с планируемым финансированием до $215 млн. Участникам предложили разработать системы как минимум со 100 логическими кубитами, способные выполнять сотни миллионов отказоустойчивых операций.

Конкурс предусматривает два этапа: на первом разработчики смогут получить до $1,5 млн за достижение промежуточных результатов; на втором предусмотрен общий призовой фонд в $100 млн для участников, продемонстрировавших системы со 100 логическими кубитами.

Дополнительные фонды по $50 млн предназначены для разработчиков компьютеров со 150 и 200 логическими кубитами. Выделение средств на будущие финансовые годы зависит от решений Конгресса США.

Помимо конкурса, новые научные задачи будут использоваться при создании National Quantum Supercomputing User Facility — инфраструктуры, которая объединит доступ к квантовым вычислениям и суперкомпьютерным ресурсам DOE. Третье направление Quantum Genesis предусматривает отдельные исследования прикладных алгоритмов и научных сценариев использования отказоустойчивых систем.

Напомним, в апреле Минэнерго США сообщило о планах представить к 2028 году первое поколение отказоустойчивых квантовых компьютеров для научных расчетов.