Алексей Акимов: «Квантовый компьютер — это борьба с внешним миром»

МЕНЮ


Искусственный интеллект. Новости
Поиск
Регистрация на сайте
Сбор средств на аренду сервера для ai-news

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация




RSS


RSS новости

Новостная лента форума ailab.ru


Беседа с физиком Алексем Акимовым о том, можно ли построить фотонный квантовый компьютер на солнечном свете, сколько нужно кубитов, чтобы взломать ключ безопасности и за что экспериментаторы не любят теорию струн

Главный редактор ПостНауки Андрей Бабицкий побеседовал с Алексеем Акимовым — доктором физико-математических наук и научным сотрудником Российского квантового центра.

— Каков принцип работы квантовых компьютеров?

Квантовый компьютер — это устройство, которое оперирует так называемыми кубитами или квантовыми битами. У обычного бита есть всего два состояния, ноль и единичка. Квантовый компьютер, вместо того чтобы использовать только ноль и единицу, использует суперпозицию между нулем и единицей, то есть сумму с произвольными коэффициентами. Их также называют аналоговыми квантовыми компьютерами, потому что они, вместо того чтобы использовать бинарную логику, используют промежуточные состояния. Часто за это их критикуют. Тем не менее, использование промежуточных состояний позволяет записать на вход какой-то логической операции сразу большое число вариантов ответа: не только 0, 1, 2, 3, а с некоторой вероятностью 0, с некоторой вероятностью 1 в первом бите, с некоторой вероятностью 0, с некоторой вероятностью 1 во втором бите и так далее. Фактически вы можете записать в систему все возможные варианты ответа сразу на входе и потом с ними делать какие-то операции и находить правильный ответ. За счет того, что вы параллельно делаете вычисления над большим количеством разных возможных вариантов, у вас получается ускорение.

Есть тонкости. Чтобы эффективно использовать ускорение, нужно использовать очень хитрые математические алгоритмы. Один из самых эффективных это алгоритм Питера Шора, который как раз раскладывает числа на множители. И часто говорят, что это главный алгоритм, стимулирующий развитие квантовых компьютеров. Хотя не стоит сводить все к одному алгоритму — все же число задач гораздо шире, чем просто разложение на множители, а работающих алгоритмов сейчас больше 50-ти.

Суперпозиции могут существовать только определенное время — этот период называется временем когерентности. Чтобы они жили, система не должна взаимодействовать со внешним миром. Любое взаимодействие приводит к тому, что система узнает, что она в суперпозиции не только с нулем и единицей, а есть еще вокруг какие-то электроны, какие-то металлические детали, и начинает стремиться к суперпозиции со всем вокруг. Естественно, это бесполезно для квантового компьютера. Поэтому как только вы пытаетесь квантовый компьютер сделать большим, вы автоматически вступаете в борьбу с внешним миром.

Создается противоречивая ситуация. С одной стороны, кубит не может быть большим, потому что нужно избежать взаимодействия с окружением. С другой стороны, чтобы кубит был изолирован от других, он не может быть маленьким. Определение размера кубита — это сложная игра: хочется зажать все кубиты на чип как можно компактнее, но если вы их помещаете слишком близко, они начинают «разговаривать» с подводящими проводами.

— В январе IBM представила первый в мире коммерческий квантовый компьютер. Как вы оцениваете эту новинку?

Такого рода компьютеры постоянно появляются. Все началось с компании D-Wave, которая представила нечто похожее на квантовый компьютер, затем подключились Google и IBM. Их современные компьютеры оперируют с квантовыми битами, но так как у них маленькое количество битов, они не умеют делать ничего сложного и не обгоняют классический компьютер по производительности. Кроме того, достоверность результатов пока сильно уступает передовым лабораториям. Тем не менее, технология работает.

Пока квантовых компьютеров не так много, но язык и коды уже есть. Компания Microsoft довольно давно создала открытый язык для квантовых компьютеров, и уже написано довольно большое число кодов. Можно написать какую-нибудь программку для квантового компьютера и ждать, что в какой-то момент железо ее догонит, и она выполнится. Математики и программисты ушли далеко вперед.

— Можно ли представить в мире квантовых вычислений нечто похожее на закон Мура, который состоит в том, что мощность процессоров увеличивается примерно в 2 раза за чуть менее чем 2 года?

— До закона Мура мы пока еще не дошли: число полезных кубитов за каждые 2 года пока не удваивается. Но прогресс во многих областях квантовых вычислений,безусловно, есть. В первую очередь, это совершенствование самих кубитов, то есть элементов памяти для квантовых компьютеров и совершенствование операций над ними. Также появилась возможность интегрировать эти устройства на чипы: неслучайно компании вроде Google и IBM стали интересоваться квантовыми компьютерами. Есть две более-менее привлекательных для индустрии чип-технологии: это сверхпроводящие кубиты и ионные кубиты.

— Итак, математика квантовых компьютеров развита лучше, чем hardware (аппаратное обеспечение). А что является «бутылочным горлышком» технологии?

— Физическая реализация квантовых компьютеров. Это возможность построить большое число кубитов так, чтобы они при этом не теряли свою когерентность за какое-то разумное время — например, чтобы вы могли записать во все эти кубиты суперпозицию. Чем больше кубитов вы размещаете на одном чипе, тем сильнее у них падает время когерентности. Один работает очень хорошо, два — уже немножко хуже, а десять — совсем плохо. Вот почему у нас до сих пор нет квантового компьютера, скажем, на ионах, которые являются лидером по квантовым операциям: не получается масштабировать. Тем не менее, один из современных компьютеров, которые выходят в индустрию, уже построен на ионах - там около полусотни кубитов.

— Любой ли алгоритм, который может быть выполнен обычным компьютером, может быть выполнен и квантовым, или у них есть теоретические различия в алгоритмических возможностях?

— На первый взгляд, нет запрета, чтобы классический алгоритм не мог быть выполнен на квантовом компьютере. В худшем случае вы можете просто не использовать суперпозиции, а работать с квантовым компьютером как с обыкновенным. То есть можно в качестве суперпозиции записать просто 1 в 1, 0 в 0 и прописать обычный алгоритм - и все будет работать.

Квантовый компьютер не обязательно решает все задачи лучше. Перемножить числа 2 и 5 может и самый обычный компьютер, потому что эта задача является математически простой. Квантовый компьютер выигрывает в задачах, связанных с перебором — например, в делении.

— Представьте абсурдную ситуацию: мы построим огромный квантовый компьютер и доверим ему управление Вселенной, а потом прилетит реликтовое нейтрино, попадет в него, и он не сможет работать. Возможно ли подстраховаться?

— Во всех компьютерах существует коррекция ошибок. Классические компьютеры довольно часто ошибаются в своих операциях. Мы не замечаем этого из-за большого количества алгоритмов коррекции ошибок, которые часто работают даже на уровне BIOS. В квантовых компьютерах тоже должны работать такие алгоритмы. К сожалению, все известные алгоритмы коррекции ошибок требуют большого числа эффективно работающих кубитов. Нужна избыточность — это и есть самая большая проблема, ведь увеличить число кубитов очень сложно. Но, тем не менее, недавно появились новые подходы к алгоритмам коррекции ошибок. В частности, на сверхпроводящих кубитах люди придумали относительно дешевые по числу кубитов алгоритмы коррекции ошибок. Эти алгоритмы неплохо работают на малом числе кубитов. Возможно, и здесь мы сумеем обойти сложности.

— Сколько нужно кубитов, чтобы сделать что-то полезное?

— Тысяча кубитов сможет сломать какой-то простой код шифрования, безусловно. Хотя я и не уверен, что это действительно полезно. Это отличное применение, но вряд ли оно является основным для квантового компьютера. Но безусловно, если вы будете решать задачи с тысячью кубитов, вы будете делать для сложных задач это гораздо быстрее, чем на классическом компьютере и сможете его обойти. Пока тысячи кубитов достичь очень сложно, но это наша цель.

— Давайте поговорим о фундаментальной части вашей дисциплины. Как вам кажется, квантовая механика сейчас находится на подъеме или в стагнации?

— Квантовая механика сейчас находится в стадии активного использования: инструмент уже отработан, и мы начинаем очень активно его использовать во всех возможных направлениях. Квантовые вычисления – одна из ярких областей использования квантовой механики. Также метрология и сенсоры в последнее время стали развиваться в связи с глубоким пониманием квантовой механики и ее алгоритмов.

— Поэтому килограмм теперь определяют через постоянную Планка?

— Эта тенденция была и раньше. В 60-х или 70-х мы отказались от стандарта метра. Люди быстро сообразили, что секунду удобно использовать как некоторый переход в атоме цезия, потому что атомы все одинаковые и соответственно частота перехода задана природой. Если точно измерить этот переход, мы можем получить некоторый стандарт, отвязанный от погрешности изготовления и человеческих ошибок. После того, как удалось зафиксировать скорость света, получилось выразить метр через секунду. Принятие постоянной Планка как некоторой константы является логическим следующим шагом. То есть мы потихонечку избавляемся от артефактов, которые мы сами создали, и пытаемся перейти на диктуемые природой единицы.

— Перед тем, как Поль Дирак обнаружил позитрон, и квантовая механика начала развиваться, ученый был в сильной депрессии. Он говорил, что придумать что-то новое невозможно, и нужна новая парадигма. А что нужно вам как фундаментальному исследователю?

— Мы сейчас в основном изучаем многообразие природы: изучаем свойства атомов, более детально разбираемся в особенностях их взаимодействия друг с другом и как это можно использовать для создания полезных устройств вроде квантовых симуляторов или квантовых компьютеров. Мы стараемся использовать фотоны или их взаимодействия с атомом, для того, чтобы делать практические устройства либо решать сложные физические задачи. Мы не столько пытаемся создать какую-то новую парадигму, сколько в рамках существующих парадигм пытаемся научиться лучше использовать то, что нам дано природой. Ощущения, что вместо квантовой механики нужно строить какую-то новую науку, у меня пока нет.

С другой стороны, наука развивается, и возникают новые теории, такие как теория струн, которые все объединяют и пытаются объяснить сразу и гравитацию, и квантовую механику. Многие теоретики работают в этом направлении. Они считают, что уже существующие теории не окончательны, и что необходимо дальше развивать научную мысль. Наверное, это правильно.

— Как вы относитесь к теории струн?

— Теория струн в моем сердце струн не трогает, поскольку она обладает очень неприятным для экспериментатора свойством. Если вы опровергли ее предсказание, они немедленно подстраивают какие-нибудь параметры и говорят: «А вот теперь новое предсказание, которое отвечает вашему эксперименту». То есть, ее нельзя опровергнуть. И это очень печально. К сожалению, она дает слишком много возможностей. Она настолько общая, что способна предсказать не только то, что есть в окружающем мире, но и то, чего там нет с такой же степенью достоверности.

Экспериментатору этим заниматься не интересно. Если вы подтвердили предсказание, это, конечно, интересный результат. Но эксперименты чаще бывают неудачными. Если ты работаешь с какой-то более-менее стандартной теорией, то когда что-то не получилось, ты приходишь к теоретику, и он начинает искать, где ошибка. Вместе вы можете найти решение и измерить какое-то новое явление, получить определенный эффект. В случае с теорией струн теоретик просто меняет параметры. Нет положительной обратной связи, которая позволяет найти результат экспериментально. Это очень неприятно. Но это не означает, что все предсказания теории струн неправильные. Некоторые попадают.

— Вы занимаетесь квантовыми симуляторами и интегрированной фотоникой. Что это такое?

— Квантовые симуляторы опираются на идеи решения сложных квантово-механических задач. Есть задачи, которые мы не можем решить численно даже с помощью современных суперкомпьютеров. Например, расчет сверхпроводников требует довольно большого числа частиц. Как решать такие задачи? Ричард Фейнман в свое время предложил не пытаться их брать штурмом, а заставить квантовую механику решать их саму. Для этого нужно построить квантово-механическую систему, которая похожа на ту, которую вы решаете, но которую вы умеете контролировать и за которой вы можете наблюдать на нормальном каком-то времени. Фактически вы строите макет системы, которую исследуете, и потом изучаете макет, вместо того чтобы изучать свою систему. Если она построена правильно и подчиняется тем же законам, она будет вести себя похожим образом только помедленнее и с контролируемыми параметрами. Такой макет называется квантовым симулятором. И такие квантовые симуляторы мы пытаемся построить.

А интегрированная фотоника это совсем другая область. Она связана с тем, чтобы попробовать работать на чипах с фотонами вместо электронов и делать вычислительные устройства, которые бы использовали не электрический ток, а оптические сигналы для вычислений. Обе задачи имеют отношение к квантовым компьютерам.

— И как работает интегрированная фотоника?

— В рамках интегрированной фотоники можно использовать для хранения информации поляризацию фотона. Она может быть вертикальной или горизонтальной. Их можно перепутывать и таким образом кодировать информацию. Можно кодировать информацию и в частоте фотона.

У фотонов есть один недостаток, сильно отличающий их от электронов: друг с другом фотоны не взаимодействуют. Как в этой ситуации сделать транзистор, в котором вы послали фотон с одной стороны, а надо контролировать прохождение фотона с другой стороны? Это сложно, но люди научились это делать. Для этого используется, например, центр окраски в алмазе или холодные атомы.

Идея в том, что фотоны взаимодействуют с атомами. Послав один фотон, вы переключаете состояние атома — и тут же меняется то, как этот атом взаимодействует с другим фотоном. Для этого нужно было научиться с вероятностью близкой к 100% заставлять один атом или один центр окраски работать с фотоном. И люди научились! Это замечательный результат. Если вы умеете переключать фотоны и осуществлять сложные операции с квантовыми состояниями, то можно создавать фотонный квантовый компьютер. Чем мы сейчас и пытаемся заниматься.

— Для квантовых вычислений подходят любые фотоны?

— Нет. Вам нужны фотоны определенной частоты. Их испускают определенные атомы или определенные центры окраски, чтобы они эффективно взаимодействовали с нужными вам атомами и за счет этого друг с другом. Их надо чем-то возбуждать — а для этого нужен лазер или электрический ток. Если просто взять солнечный свет, ничего не получится.

Два соседних атома реагируют на одинаковые фотоны. В этом их плюс. Именно поэтому люди пытаются использовать атомы для такого рода вещей. Если бы каждый атом был разный, то тогда квантовый компьютер было бы невозможно построить.

Чтобы управлять фотонами, мы используем в алмазе не сами атомы углерода, а различные дефекты — кремниевые, германиевые, оловянные или азотные примеси. Атом кремния очень большой, гораздо больше, чем атом углерода, и ему нужно свободное место вокруг. И такого рода центры окраски можно использовать, чтобы переключать фотоны. С одной стороны, они все одинаковые. С другой - в алмазах существует напряжение, которое несколько сдвигает уровни. Поэтому мы модифицируем алмазы, чтобы центры окраски в них были как можно более одинаковыми и учимся подстраивать атомы друг под друга в твердом теле. Мы используем германий, в Гарварде — кремний, но какие именно атомы выиграют, пока непонятно.

— У вас есть фаворит в мире науки? Какая лаборатория или крупное исследование вас больше всего вдохновляет?

— Такого фаворита у меня нет, но интересных результатов много. Очень воодушевляют результаты по ридберговским атомам и кубитам на ридберговских атомах. Очень большой прогресс в сверхпроводниковых кубитах. Центры окраски в алмазе, которыми я занимаюсь, тоже очень здорово скакнули вперед. Появились фотонные чипы, в которых делаются квантовые операции уже в твердом теле на алмазе. Много интересных результатов в области квантовых симуляторов.

В широком смысле я слежу за развитием астрономии. Мне нравится прогресс LIGO на гравитационных волнах — это большое достижение. Физика элементарных частиц мне тоже интересна: в частности, то, что происходит на Большом адронном коллайдере. Теория суперсимметрии пытается резко увеличить число частиц и объяснить некоторые необъясненные вещи, например, что такое темная материя. БАК успешно сражается с этой теорией и доказывает справедливость Стандартной модели. Существует общепринятое мнение, что Стандартная модель не полна, но, тем не менее, все экспериментальные данные упорно показывают, что она-то как раз и справедлива. Довольно интересная ситуация.

— Митио Каку в книге «Физика невозможного» делит фантастические идеи на теоретически невозможные (если, конечно, наша физика права), возможные, но трудно достижимые и так далее. Верите ли вы, что какая-либо идея из научной фантастики действительно будет реализована?

— Как правило, фантастика – фантастика и есть. Скорее всего, устройства, описанные там, в реальной жизни создать невозможно. Но у научной фантастики есть интересная особенность. У нас была лекция по научной фантастике. И один из ученых рассказывал, что в фантастике разрешается одна невозможная вещь на книжку. Допустим, путешествия во времени существуют — но дальше все должно быть похоже на правду. Если автор придерживается этого правила, то читать интересно. В фэнтези это правило не срабатывает: там полностью выдуманный мир.

Когда я читаю такие книжки, я слежу за самосогласованностью. Если события в книжке развиваются пусть невозможным образом, но согласованно, то тогда интересно. А если каждый раз все по-новому, то, конечно, очень быстро становится скучно.

— У Толкиена хорошие, прописанные персонажи, но они ведут себя как люди. Но если автор придумал целый мир, то почему бы не придумать такого хоббита, который ведет себя не как человек?

— Мне кажется, авторы такой задачи себе не ставят. Они ставят себе обратную задачу: пытаются описать мир людей в некоторой выдуманной ситуации, где они могут себе позволить свободу формы. Человеческие отношения и проблемы просто заворачиваются в красивую обертку. Своего рода мысленный эксперимент.

— Вы преподаете студентам начальные курсы физики: механику, электричество и другие разделы. Вам не скучно рассказывать об открытиях XVII-XIX века?

— Физика XVII века работает и сегодня столь же хорошо. Интересно, когда ребята начинают что-то понимать: у них загораются глаза. Конечно, некоторые не выучивают и это грустно. Действительно, то, что я рассказываю в рамках этого курса, уже полностью известно. И в детали на переднем крае науки я не залезаю, для этого есть другие курсы. Но определенное удовлетворение от чтения этих курсов тоже получаешь.

— В вашей области исследований Россия заметна на карте мира?

— В России заметное число сильных научных групп, в том числе по квантовым вопросам. Конечно, в советское время это представительство было побольше. Но оно по-прежнему существует. Сделать успешную карьеру в квантовой механике, не уезжая никуда, в России можно, но сложно. В Германии считается хорошим тоном уехать куда-нибудь, обычно в Соединенные Штаты, поработать там пару лет, а потом вернуться. Это учит работать в сильной и принципиально другой научной школе, что расширяет кругозор и помогает решать более сложные задачи и находить менее тривиальные решения. Навыков тоже существенно больше. К сожалению, в России это часто работает в одну сторону: люди уезжают и не возвращаются.

— В январе была новость, что автопилот Tesla сбил другого робота. Как вы считаете, кто виноват в этой ситуации?

— У роботов есть одно сильное отличие от людей: они не врут. В них записано все, что они делали. И вы можете просто проиграть и достоверно разобраться, кто и почему ошибся. А в случае людей, даже если вы знаете все обстоятельства происшествия, бывает сложно определить, потому что люди не всегда говорят правду.

Робот не делает никаких движений, если ему не пришла команда делать движение. И у него записаны показания всех датчиков. И то же самое происходит у машины. Скорее всего, вы обнаружите, что машина этого робота по какой-то причине не видела, не сработал нужный датчик. Соответственно, дело в машине, у которой не сработал датчик. И дальше встает интересный вопрос: машина виновата, потому что датчик не сработал или потому что инженер, который разрабатывал эту машину, не подумал о том, который датчик поставить? Это уже вопрос больше из области людей.

— Многие трактуют этот конфликт как «машина сбила пешехода», а не «произошло столкновение двух железок». Получается, мы уже смотрим на эту машину, как на субъекта?

— Наверное, это осмысленно. Если через какое-то время все машины окажутся без водителей и начнут сбивать пешеходов, не все пешеходы окажутся роботами. Скорее всего, человек, который отождествляет себя с роботом-пешеходом, писал это, когда он не был за рулем машины. Сознание у водителя переключается мгновенно. Пока человек ведет машину, он говорит: «Идиоты лезут под колеса». Как только он выходит из машины, он говорит: «Машины-идиоты едут на меня».

— Представьте себя робота с квантовыми мозгами. Будет ли его поведение столь же предсказуемо, как поведение обычного компьютера?

— С точки зрения обывателя он, наверное, будет остаточно детерминистический. По принципу работы квантовый компьютер — это компьютер вероятности. Он выдает вам правильный ответ, например, какой-то задачи с какой-то вероятностью. Как вы эту вероятность оптимизируете – это уже задача оператора. Как проверить, что тот вероятностный ответ, который вы получили, он правильный или как увеличить эту вероятность – это уже задачи программиста. Но в конечном итоге программисты эту задачу обязаны решить. То, что дойдет до пользователя, уже будет более-менее детерминистическим — то есть, его поведение будет скорректировано.

Случится это нескоро. Скорее всего, первые квантовые машины будут достаточно большими приборами, которые будут чем-то вроде сопроцессоров для суперкомпьютеров. И они, скорее всего, будут решать какие-то специализированные сложные задачи. Google инвестирует в квантовые вычисления, чтобы задачи поиска можно было решать более эффективно. Пока это слишком дорогая технология, чтобы штамповать ее в каждый сотовый телефон или в каждого робота. По мере того как они будут более и более активно использоваться в сложных задачах, они могут потихонечку добраться и до более обыденных приборов.


Источник: postnauka.ru

Комментарии: