Беседы - Егор Боборыкин о квантовом киберсине

Многих из наших читателей давно волнует - что за зверь такой "Квантовый Киберсин". Поэтому наша редакция решила рассказать о квантовых компьютерах и децентрализованных системах управления в формате "вопрос-ответ". Рассказчик - один из основателей нашего проекта, выпускник МФТИ, специалист по квантовым компьютерам Егор Боборыкин. Для тех, кому удобнее читать, к посту прилагается расшифровка беседы

Расшифровка

Иван (главред Лаборатории Будущего) Здравствуйте, с вами Лаборатория Будущего, и сегодня поговорим о таинственном квантовом Киберсине. Это словосочетание можно увидеть во многих наших материалах. Но, признаться честно, за ним пока стоит очень сырая и общая концепция использования квантовых компьютерных технологий в управлении экономикой. И сегодня один из основателей нашего проекта Егор расскажет о квантовых компьютерах и их возможном применении. Для удобства восприятия мы выбрали формат интервью. Начнём?

Егор Боборыкин: Начнём

И. Для начала, что такое квантовые компьютеры, в чём их преимущество перед обыкновенными?

Е. Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо начать издалека. А именно ответить, чем отличается квантовая математика, математический аппарат квантовой физики, от обычной, человеческой математики. Дело в том, что в привычной нам математике, в том числе той, что используется в классических компьютерах, основным объектом является число. Это число, возможно, двоичное, как в компьютерах, десятичное, как в привычных расчётных системах, а может и буквенная переменная. Тем не менее, это число.

В квантовой же математике, где не всегда можно придать изучаемой величине некоторые детерминированные значения, этот трюк не проходит. Поэтому приходится считать наши величины как некоторые функции. В обычной математике функция - не объект, а, скажем так, субъект. То, что преобразует одно число в другое. В квантовой же математике мы уже видим, что сама функция является объектом. А субъектом является оператор, то есть такое действие, которое преобразует функцию в функцию.

Как это проявляется в квантовых компьютерах. В обычном компьютере у нас объектом является бит, то есть число, ноль либо единица. В квантовом компьютере, т. к. мы не знаем, жив или мёртв кот Шрёдингера в коробке, мы задаём состояние мельчайшей его единицы, так называемого кубита (quantum bit), как некоторую функцию, выражающую вероятность этого самого кубита находиться в состоянии либо ноль, либо единица. Соответственно, его состояние задаётся вектором, сочетанием двух чисел. Первое число выражает вероятность его быть в состоянии «ноль», второе - «единица».

В чём загвоздка? А в том, что уже для двухкубитной системы этот вектор будет состоять из четырёх чисел, так как такая система уже может находится в четырёх состояниях:

Первый «0», второй «1»

Первый «1», второй «0»

Оба «0»

Оба «1»

А для трёхкубитной системы нам нужно восемь чисел (2?). И таким образом, для системы в N кубит, нам требуется вектор для 2n чисел. Так называемый вектор состояния. Чем это хорошо? Да тем, что квантовая математика является расширением классической, а последняя, в свою очередь, — частным случаем квантовой. И значит, многие задачи можно решать более прямым путём. Так, задачу о факторизации чисел, то есть разложения их на кратные двум, можно решать на за миллиарды, а за миллион с небольшим операций. Что уже неплохо. А это весьма полезно для работы с криптографическими системами. Таким образом, квантовый компьютер может работать как с задачами, решаемыми классическим компьютером, так и с теми, что ему не подвластны.

И. Какими, например?

Е. Я уже упомянул задачу факторизации чисел, практически нерешаемую классическими методами. Также квантовые компьютеры можно применять для так называемого квантового моделирования.

Кроме того, в классических компьютерах случайные величины носят псевдослучайный характер и получаются с помощью так называемого генератора псевдослучайных чисел. Поэтому мы не можем быть уверены в том, что построенная на компьютере случайная модель будет действительно случайной. В квантовых компьютерах, как нетрудно понять, случайность заложена изначально.

Собственно, квантовое моделирование — одно из главных направлений использования квантовых компьютеров. В частности, их уже успешно применяют для моделирования термодинамических систем. Понятное дело, моделируют на них и задачи квантовой физики.

И. Насколько известно, создание квантовых компьютеров — дело достаточно сложное. В чём состоит самая главная сложность?

Е. Сложностей много. Главная — создать эту самую многокубитную систему. Потому что чем больше у нас размер квантовой системы, тем она менее стабильна. Так что мы можем так или иначе создать систему на сколько угодно кубит — лишь бы хватило энергетических источников. Но задача состоит в том, чтобы её стабилизировать. Это первый вопрос. Существует много вариантов решения этой проблемы, но, тем не менее, сейчас она стоит достаточно остро.

Другая проблема заключается в том, чтобы ещё до непосредственного создания квантового компьютера научиться с ним оперировать. Для этого нужно смоделировать его на компьютере классическом. И здесь мы встаём перед другой проблемой — так называемым квантовым превосходством. В чём оно заключается? На самом деле придумавшие этот термин специалисты из Google сами не могут дать ему чёткого определения. Если говорить в общих чертах, то квантовое превосходство заключается в том, что достаточно крупная квантовая система не может быть смоделирована ни на одном из существующих классических компьютеров.

Во-первых, дело в необходимом объёме памяти. Как мы помним, квантовые состояния квантовой системы содержат очень большое количество чисел. Ведь квантовый вектор состоит из 2 в степени N чисел. И если число N достаточно большое возникают проблемы. Так, при попытке посчитать 260 на калькуляторе, вы, скорее всего, получите бесконечность.

Следующая проблема — время выполнения операций. По своему опыту скажу, что квантовые системы от 30 кубит и больше, даже с технологиями параллельных вычислений, имеют удручающе маленькую скорость вычислений. Поэтому, для того, чтобы оперировать квантовыми компьютерами достаточно большой размерности, нужно этот квантовый компьютер собрать. Иначе смоделировать его поведение, судя по всему, не получится.

И. Ну что ж, кое-что о квантовых компьютерах нам теперь ясно. Перейдём ко второй части нашего словосочетания. Напомним нашим читателям, что такое «Киберсин» и схожие с ним системы.

Е. «Киберсин» это система управления, созданная в Чили командой кибернетиков, под руководством британского специалиста Стаффорда Бира по заказу правительства Сальвадора Альенде. Функционировала она вплоть до его смещения в ходе государственного переворота. Система эта показала высокую эффективность, несмотря на то, что реализовывать её приходилось при помощи очень скромного технического аппарата — примитивной телеграфной сети и двух устаревших компьютеров. «Киберсин» позволил снабжать столицу Чили Сантьяго продовольствием во время так называемой забастовки Гремио, когда больше 90 процентов грузооборота Чили оказалось парализовано. Тем не менее, благодаря «Киберсину» жители Сантьяго не испытывали жёсткого дефицита, что продлило жизнь правительству Сальвадора Альенде.

Другим примером подобной системы является советская система ОГАС (к сожалению, так и не реализованная в металле, создававшаяся советскими кибернетиками под руководством академика Глушкова).

И. Насколько известно, система, созданная Стаффордом Биром, строилась по алгедоническому принципу. Думаю, стоит рассказать, что это за принцип и как он применяется.

Е. Этот принцип схож с дрессировкой собаки. Когда мы дрессируем собаку, мы не сообщаем ей всю последовательность действий, которую мы от неё ожидаем. Когда, например, мы бросаем ей палку, мы не говорим ей: сделай такое-то число шагов к этой палке, раскрой рот, возьми палку, закрой рот, развернись и сделай столько-то шагов обратно. Потому что собака нас всё равно бы не поняла. Вместо этого мы просто сообщаем ей, правильные или неправильные действия она совершила, после того, как мы бросили палку и подождали её реакции. Таким образом, собака учится реагировать на команды так, как нам это нужно. Так, в принципе, и работают алгедонические системы.

Хорошим примером тут является система управления космическими аппаратами. Задавать полёт космического корабля аналитическим методом — дело довольно накладное. Так как при этом приходится решать сложные многомерные уравнения, дифференциальные уравнения достаточно большой степени. Поэтому как поступает система управления космическим аппаратом?

Вместо того, чтобы задавать подробную траекторию, мы действуем следующим образом: мы сообщаем нашему аппарату те величины, которые хотели бы получить в конце нашего пути или определённого его этапа. Аппарат сравнивает с ними данные со своих датчиков и соответствующим образом корректирует свои параметры. Скажем, регулирует скорость при помощи взлётных или тормозных двигателей или меняет свою ориентацию в пространстве при помощи двигателей малой тяги и так далее. Таким образом, мы получаем, что траектория полёта космического аппарата является суммой отдельных тактов управления.

И. Получается, что любую сложную задачу, которую нельзя решать аналитически, с заданием конечного алгоритма, можно решать таким образом?

Е. Да. Да.

И. Мы уже не раз говорили, что выступаем за децентрализованное планирование. Но многим читателям непонятно, как это реализовать на практике и в чём преимущество этого варианта...

Е. Ну, вернёмся к «Киберсину». Каким образом это было реализовано там? Система управления состояла из нескольких уровней, самый нижний из которых — предприятие. То есть завод, или даже отдельный грузовик в системе снабжения. Почему нет? Как строятся отношения между ними? Каждый более высокий уровень получает от нижних алгедонические сигналы о их состоянии. Удовлетворительно ли оно, или его нужно подкорректировать. Прислать товаров, материалов, кадры — почему нет? План действий же составляется нижними пунктами управления самостоятельно и корректируется с учётом сигналов от населения. Таким образом, более высокие уровни управления вмешиваются только тогда, когда получают об этом соответствующий сигнал, и решают лишь те вопросы, которые не могут быть решены без их участия.

И. Этот принцип, насколько известно, называется принципом субсидиарности. И одним из первых, кто его применял, была, как ни странно, католическая церковь.

Е. Ну это неудивительно. Католической церкви было бы очень сложно управлять теми процессами, которые она вела, из Рима. Особенно, скажем, миссиями в Новом Свете. Было бы очень странно, если бы каждые три месяца папе римскому приносили оттуда квартальный отчёт и тот бы высылал обратно приказания каждой миссии. Во-первых, в таком случае нужно было бы пожалеть бедного папу. Во-вторых, это было бы физически невозможно, учитывая расстояния, на которых оные миссии находились от Рима.

И. Есть ещё один важный момент с децентрализованными системами управления. В современном мире очень высокое распространение получило высокоточное оружие. И классические централизованные, пирамидальные системы управления, включая и советский Госплан, с этой точки зрения крайне уязвимы. Вмазал ракетой куда нужно — и всё, экономика парализована. Насколько я понимаю, децентрализованная система - и тут, думаю, Егор меня поддержит — избавлена от этого недостатка. В том числе и потому, что функцию более высокого или даже центрального поста управления может принять на себя любая точка.

Е. Совершенно верно. И это касается не только ракеты, а также и злоупотреблений на местах. Потому что когда я обсуждал эти принципы планирования со многими людьми, неизбежно всплывал вопрос о злоупотреблениях. И это очень важный вопрос! Но если посмотреть, то злоупотребление на любом пункте будет достаточно ограничено в своём радиусе. А-во вторых, оно может быть легко локализовано, так как неизбежно создаст влияние на другие пункты сети. И они будут посылать сигналы: «Здесь что-то не так! Не может быть так, что Лупа получает зарплату за Пупу и наоборот. Разберитесь!»

И. Ну, таким образом, мы хоть примерно поняли, что такое «Квантовый Киберсин» и с чем его есть. Но остаётся вопрос: а что нам потребуется для того, чтобы воплотить его в жизнь? Какие смежные технологии нам нужно будет для этого развивать?

Е. Во-первых, это технологии машинного обучения, которые как раз и позволят осуществлять непрямое управление при помощи алгедонических сигналов, без необходимости задавать в явном или неявном виде некоторые алгоритмические последовательности. Во-вторых, это уже обсуждавшиеся в первой половине нашего разговора квантовые компьютеры, так как они лучше подходят для работы с системами, поведение которых не может быть детерминировано со стопроцентной точностью.

Кроме того, надо озаботиться технологиями моделирования, так чтобы научить систему реагировать на изменения наиболее быстрым образом. Скажем, мы создали модель некой ситуации, прогнали через неё наш узел управления — и в течении нескольких секунд он уже научился с ней управляться.

И. Но речь идёт не только о софте. Я имел в виду, прежде всего, хард. То без чего мы квантовый компьютер тупо руками не построим.

Е. Если смотреть чисто по харду, то, в принципе, все нужные технологии уже имеются. Это облачные и сетевые технологии, технологии хранения. Такие системы управления требуют высокоразвитых систем связи. Но даже современная оптоволоконная связь вполне подходит для наших целей. Да, есть проблема защиты от вмешательства извне. Но для этого можно и нужно развивать квантовую криптографию и квантовую связь.

И. Насколько уже сейчас можно сделать вывод, эта система достаточно энергоёмка. Насколько серьёзные нагрузки на энергетику создаст система управления при помощи квантовых компьютеров?

Е. Меня, вообще, одолевают сомнения, что такая система управления будет давить на энергетику много больше, чем существующие. Опять же, сейчас на каждом предприятии есть несколько компьютеров, крупные корпорации имеют хорошие облачные хранилища. И как минимум на ранних этапах этого будет достаточно. Вряд ли потребуются дополнительные мощности. Но по мере усложнения систем управления потребуется более совершенный аппарат, большие затраты энергии. И здесь, как и везде необходимо будет удешевление электроэнергии, построенное на ядерной, чем чёрт не шутит, термоядерной энергетике. И это отдельная большая тема в рамках нашей Лаборатории Будущего, сейчас мы на ней подробно останавливаться не будем.

Комментарии: