Ученые Квантового проекта Госкорпорации «Росатом» решили модельную задачу теплопереноса на реальном квантовом компьютере. Задача решалась для инновационного проекта атомной отрасли «Прорыв» в рамках программы внедрения квантовых вычислений атомной отрасли, сообщается пресс-службой ГК «Росатом».
Для этого на 50-кубитном квантовом вычислителе, разработанном в рамках Квантового проекта Госкорпорации «Росатом» и расположенном в Физическом институте имени П.Н.Лебедева (ФИАН), решена система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) для расчета задачи теплопереноса. Доступ к квантовому компьютеру был осуществлен через облачную платформу квантовых вычислений, также разрабатываемую в рамках Квантового проекта Госкорпорации «Росатом». Об этом рассказала директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева на полях Всемирной атомной недели на ВДНХ.
Для решения задач проекта «Прорыв» физический квантовый компьютер был применен впервые. Ранее тестовые задачи подобного типа в рамках проекта решались с использованием эмуляторов квантовых вычислений (классического программного обеспечения, имитирующего поведение квантового вычислителя).
Задача теплопереноса относится к области математического моделирования (САЕ, Computer-Aided Engineering), в рамках которого симулируются физические процессы в решении инженерных задач. Результат, полученный на физическом квантовом компьютере, верифицирован контрольными расчетами на эмуляторе квантового компьютера, достигнута точность до десятитысячных. Несмотря на небольшую размерность решенной СЛАУ, полученные результаты являются важным шагом на пути к созданию квантовых вычислительных инструментов для решения индустриальных задач математического моделирования.
Применение квантовых компьютеров в области математического моделирования в будущем обеспечит эффективное решение систем линейных и нелинейных уравнений, демонстрируя ускорение вычислений, а потенциально – способность решать многопараметрические задачи особой сложности.
Директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева: «Практика применения квантовых технологий в мире только набирает обороты, и мы внимательно следим за новыми кейсами из разных сфер экономики, где квантовые вычисления уже приносят пользу. Замечу, что наиболее востребованы «квантовые» задачи в сегменте математического моделирования. В рамках программы внедрения квантовых вычислений в атомной отрасли мы также протестировали квантовые вычислители для усиления CАЕ-систем. И первое применение реального квантового компьютера для индустриальных задач атомной отрасли показало хороший результат. Пока речь идет о задаче небольшой размерности, но ее успешное решение вселяет оптимизм в перспективы применения квантовых вычислений в промышленности».
Директор по цифровизации проектного направления «Прорыв» Андрей Федоровский: «Участие проекта «Прорыв» в программе внедрения квантовых вычислений обусловлено стремлением к синергии технологий будущего — атомных и квантовых. Мы продвигаемся осторожно, понимая, что квантовая сфера пока является областью поиска. Вместе с тем, фактом является успешное решение теплофизической задачи, пусть пока и очень простой, на квантовом вычислителе. Это открывает широкие перспективы по адаптации множества существующих в отрасли расчетных кодов к применению их на квантовых компьютерах и получению в будущем совершенно нового качества моделирования за счет ускорения вычислений».
Программа внедрения квантовых вычислений, в т.ч. квантовых алгоритмов, в атомной отрасли. Запущена в 2024 году. Уже проработано 17 различных проектов с применением квантовых вычислений, по четырем из них получены оптимистичные результаты. В частности, разработаны квантовые алгоритмы и программное обеспечение для решения целого ряда задач, включая оптимизацию производства, хранения и поставки потребителям продукции; моделирование процессов теплопереноса и теплопередачи с помощью решения системы линейных уравнений; оптимизацию плана выполнения производственных заказов с учетом технологического маршрута, а также оптимизацию в цифровых двойниках производственных объектов с использованием имитационного моделирования с квантово-вдохновленным оптимизатором. Для повышения квантовых компетенций в атомной отрасли свыше 150 специалистов, в т.ч. технических директоров предприятий, уже прошли повышение квалификации в рамках соответствующих программ в Корпоративной академии «Росатома».
Примером пилотного решения задач квантовой оптимизации в промышленности является решение тестовой оптимизационной задачи долгосрочного плана производства и поставки ядерного топлива в рамках инновационного проекта атомной отрасли «Прорыв». Решение с использованием квантово-вдохновленных алгоритмов обеспечивает оптимальную загрузку производственных мощностей и эффективное распределение топлива между потребителями. При этом, по предварительным тестам, расчет в среднем занимает несколько минут, обеспечивая преимущество во времени расчетов и значительно их ускоряя. Полученные результаты показывают более качественное и точное решение задач оптимизации в планировании и производстве, а с появлением промышленного квантового компьютера многократно увеличить масштаб (размерность) решаемых задач и скорость их решения.
Проект «Прорыв» – один из главных инновационных проектов в мировой атомной энергетике, реализуемый в России. Он предусматривает создание новой технологической платформы атомной отрасли на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах. Такая технология позволит исключить тяжелые аварии на АЭС, исключить эвакуацию и отселение населения при возникновении аварий на энергоблоке, вырабатывать электроэнергию без накопления облученного ядерного топлива и многократно повторно использовать отработавшее ядерное топливо, что снимет проблему ограниченности ресурсной базы атомной энергетики. В рамках проекта «Прорыв» на площадке Сибирского химического комбината (предприятие Топливной компании Росатома «ТВЭЛ») создается опытно-демонстрационный энергокомплекс (ОДЭК), который позволит отработать технологии, продемонстрировать замыкание ядерного топливного цикла и сделать первый шаг в построении атомной энергетики нового поколения.