Страна восходящего квантового превосходства

Японский Fugaku («Пик Фудзи») постоянно занимает первые места в мировых рейтингах суперкомпьютеров. Фото с сайта www.riken.jp

Япония планирует создать первый отечественный квантовый компьютер к концу текущего финансового года (заканчивается 1 апреля 2023 года). Эта цель, как ожидается, будет включена в программу новой Национальной стратегии в области квантовых технологий. А еще шире – рассматривается как фундамент провозглашаемой премьер-министром Фумио Кисиды стратегии роста Японии под названием «новая форма капитализма». Эта стратегия объявлена была в октябре 2021 года, после избрания его на пост главы правительства. Конкретный план разработки компьютера был представлен уже в конце апреля 2022 года и принят на заседании Совета по продвижению комплексной инновационной стратегии под председательством главного секретаря кабинета министров Хирокадзу Мацуно.

Цифровая реформа по-японски

По плану намечено создание в четырех регионах Японии центров исследований и поддержки квантовых технологий. Один из них на базе университета региона Тохоку. Это северо-восточный регион страны из шести префектур. Как правило, каждая из префектур имеет свой университет. Университет Тохоку общенациональный, один из семи и третий среди бывших императорских университетов. Сегодня он входит в пятерку лучших японских университетов. В 2009 году он включен в список из 13 университетов, отобранных японским правительством для внедрения международных стандартов обучения.

Университет Тохоку планируется как центр по подготовке специалистов по квантовым технологиям для различных направлений деятельности в этой сфере. Кроме того, исследовательские и вспомогательные базы будут созданы в аспирантуре Окинавского института науки и технологий (OIST), Национальном институте передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Национальном институте квантовой науки и техники (QST).

Государственное финансирование создания квантового компьютера будет предоставляться из фондов для поддержки развития новых наукоемких отраслей и стартапов. Уже только это, по расчетам правительства, позволит довести в стране число пользователей квантовыми технологиями к 2030 году до 10 млн и сформировать рынок услуг стоимостью 50 трлн иен, отмечает издание Yomiuri Shimbun.

Правительство Японии в перспективных планах уже давно большое внимание уделяет цифровизации всех сфер своей деятельности, считая это залогом будущего развития страны. 1 сентября 2021 года в кабинете начало действовать управление цифровизации. Основная задача управления – внедрение компьютерных систем в социальную и экономическую инфраструктуру общества, включая финансы, здравоохранение, транспорт. Пакет законопроектов о цифровой реформе был принят на сессии парламента в мае 2021 года.

Управлению предоставлены широкие полномочия, которые выходят за рамки традиционных юрисдикций министерств правительства. Например, оно уполномочено давать рекомендации другим правительственным учреждениям и контролировать бюджеты, связанные с информационными системами, во всех правительственных структурах. Штат – около 600 человек. В СМИ отмечается, что примерно треть из них ранее были заняты в частном секторе.

Предстоит многое сделать по внедрению цифровых систем в практику, в первую очередь обеспечить гражданам возможность совершать многие операции без личного обращения в госучреждения. Отладка системы будет длительной. Центральное правительство планирует объединить почти 20 операций. Форматы данных необходимо унифицировать и на местном уровне. Поэтому присоединение местных органов власти к облачной системе управления ожидается лишь к 2025 финансовому году.

Полный Fugaku!

Управление берет под контроль выполнение ранее принятых целевых программ, например разработанную Национальную стратегию в области искусственного интеллекта. Она нацелена на создание виртуальных сред, которые воспроизводят реальный опыт, чтобы исследовать гипотетические сценарии.

Это уже используется с помощью обычных компьютеров. Достаточно сказать, что в стране третий год действует компьютер Fugaku («Пик Фудзи»). Он постоянно занимает первые места в мировых рейтингах суперкомпьютеров и подтверждает свою мощность в 540 петафлопс (5,4х1017 флопс). (FLOPS, FLoating-point Operations Per Second – количество операций с плавающей запятой, которое может выполнить компьютер за одну секунду.) Мощности лучших суперкомпьютеров других стран мира ниже в разы.

Fugaku начал работать в тестовом режиме в августе 2019 года. Эпидемия COVID-19 стимулировала введение его в строй. На Fugaku разрабатывались и проверялись многие технологии борьбы с пандемией от диагностики до получения данных об эффективности масок и защитных щитков.

В марте 2021 года Fugaku впервые был запущен на полную мощность. Но и до этого он занимал первые места в ежегодных мировых рейтингах топ-500 по производительности суперкомпьютеров, а также в категориях использования в системах искусственного интеллекта, анализа больших данных. Специалисты центра вычислительной техники RIKEN, обслуживающего Fugaku, видят уже более 100 научных сфер и проектов, в которых ждут возможности его задействовать.

Самой сложной проблемой в ходе отладки работы компьютера Fugaku было удержание рабочей температуры при выполнении на нем различных видов задач. Специалисты указывают на то, что плотность тепловыделения суперкомпьютера сравнима с показателями ядерного реактора. При этом в зависимости от типа и сложности решаемых задач значительно меняется потребляемая мощность. Чем выше сложность задач, тем больше и теплотворная способность комплекса.

На третьем этаже здания в городе Кобэ, где находится Fugaku, размещены 432 стойки, вмещающие более 160 тыс. процессоров, которые и генерируют тепло при работе, подчас более 100 кВт на квадратный метр. Для эффективной работы процессоров необходимо поддерживать их температуру ниже 30°C. Без этого их температура поднимется выше 100°C за считаные секунды. Чтобы предотвратить это, суперкомпьютер оснащен сложнейшей двухконтурной системой жидкостного охлаждения.

Не до битов

Наращивание мощности битовых суперкомпьютеров за счет увеличения числа процессоров уже исчерпано. Даже суперкомпьютер Fugaku уступает квантовым компьютерам в решении ряда задач, требующих обработки большого массива данных. Нужны новые технологические прорывы, и наиболее перспективными стали разработка и внедрение квантовых компьютеров.

В Японии квантовые компьютерные технологии предоставляет в основном американская International Business Machines Corp. (IBM) через своего представителя IBM Japan Ltd. В Нью-Йорке IBM Corp. имеет более 30 квантовых компьютеров, которые и выполняют большинство заказов не только клиентов из США. По меньшей мере 140 компаний и университетов по всему миру получают к ним доступ с помощью облачных технологий.

Эти технологии позволяли концентрировать квантовые компьютеры там, где выгодно с финансовой точки зрения. В данном случае в Нью-Йорке. В конце марта 2021 года IBM Japan Ltd. объявила, что в ее бизнес-инкубационном центре Kawasaki началась установка квантового компьютера IBM Q System One, изготовленного в США.

IBM Japan Ltd. формировалась как орган для увеличения числа клиентов квантовых компьютерных технологий именно в Японии. В декабре 2019 года компания подписала соглашение о партнерстве с Токийским университетом, а в июле следующего года стороны зарегистрировали консорциум Quantum Innovation Initiative Consortium (KBIC) для организации практического использования квантовых компьютеров. В консорциум вошли Университет Кэйо, крупные японские корпорации Toshiba Corp., Mitsubishi Chemical Holding Corp., Toyota Motor Corp., ведущие представители финансового мира Mitsubishi UFJ Financial Group Inc., многие объединения отраслевых производителей. Доступ к квантовому компьютеру в Кавасаки будет обеспечен с использованием облачных технологий.

Многие члены KBIC используют нью-йоркские квантовые компьютеры IBM, но они вынуждены конкурировать за время работы на них с клиентами по всему миру, что ограничивает время доступа. За пределами США планировалось ввести в эксплуатацию в 2021 году лишь один квантовый компьютер IBM. Проект новой Национальной стратегии Японии определяет квантовые технологии как «ключевые технологии, которые будут лежать в основе будущей конкуренции за превосходство между государствами», пишет в редакционной статье газета Yomiuri Shimbun.

Технология разработки квантовых компьютеров все еще остается сложной технической задачей. Но они уже позволяют ускорить создание искусственного интеллекта, продвинуться в генной инженерии, в моделировании сложных физико-химических и даже социальных процессов. Сфера их применения расширяется. Поэтому руководитель консорциума KBIC Хироаки Акихара и говорит о необходимости сотрудничества между промышленностью и академическими кругами, чтобы ускорить внедрение технологий квантовых компьютеров в практику.

Для этого в Японии создан Совет по продвижению комплексной инновационной стратегии. Под его контролем создаются группы из представителей деловых кругов страны и ученых для выполнения конкретных задач. Например, электронный гигант Toshiba Corp. и Университет Тохоку в декабре 2020 года объявили, что им с помощью квантовой криптографии удалось передать весьма объемные данные генома человека, суммарно превышающие сотни гигабайт, на самой высокой скорости. Это практически невозможно было сделать другими средствами.

Есть и другие организации в Японии, готовящиеся или уже занятые внедрением квантовых компьютеров в практику. В международном образовательном и исследовательском центре, который еще формируется и планируется его полностью открыть в префектуре Фукусима в 2024 финансовом году, намечается проведение исследований и разработок для создания крупномасштабной системы компьютерной томографии габаритных промышленных продуктов, например автомобилей.

Предполагаемая система сможет делать рентгеновские снимки больших участков автомобилей и самолетов для воспроизведения их в 3D-моделях, устраняя необходимость в создании физической модели.

В центре формируется исследовательский комплекс по моделированию будущих образцов агрегатов для определения наиболее выгодных в производстве и эксплуатации, например автомобилей. Ожидается, что он будет введен в практику до 2030 года.

В рамках мер по восстановлению после восточно-японского землетрясения 2011 года центр будет расположен в прибрежной зоне префектуры Фукусима. Предполагается, что там будут проводиться передовые исследования в таких областях, как медицина, разработка лекарств и радиационная наука. По словам правительственных чиновников, системы компьютерной томографии в самых разных сферах станут главной особенностью центра.

Развитие и использование квантовых компьютеров активно поддерживается и японскими СМИ. Так, под заголовком «Японии необходимо создать фундамент и перейти к практическому применению квантовых технологий» в редакционной статье газеты Yomiuri Shimbun от 22 апреля 2022 года отмечается, что внимание всего научного мира в настоящее время сосредоточено на квантовых технологиях и квантовых компьютерах, производительность которых намного превосходит битовые суперкомпьютеры.

В статье говорится, что японские компании обладали важными передовыми научными достижениями. Например, в 1999 году лаборатории японской NEC Corp. удалось разработать первую в мире базовую схему квантового компьютера. Однако в последние годы заметно амбициозное продвижение в этом плане американских компаний Google LLC и IBM Corp.

Газета считает, что даже тогда, когда Япония обладает ценными технологиями, в стране «редко оказывается энергичная поддержка частных инвестиции до тех пор, пока в других странах не признают их ценность». Констатируется, что невозможно выйти вперед, «если просто следовать зарубежным тенденциям». Для быстрого выхода на передовые позиции «есть настоятельная необходимость в создании структуры с участием государственного и частного секторов». Крупнейшие компании США быстро продвигают исследования и разработки, используя свои богатые финансовые ресурсы.

Япония должна укреплять сотрудничество между национальными исследовательскими институтами, университетами и, главное, компаниями, чтобы развивать способность конкурировать с остальным миром.