Квантовые компьютеры: маленькие частицы для большого прорыва

Гостевая статья от Алексея Федорова, научного сотрудника Российского квантового центра, соавтора разработки первого в мире квантового блокчейна

Квантовый компьютер, пожалуй, является самым сложным и самым интригующим устройством «второй квантовой революции». Можно считать, что эту революцию – волну технологий на основе использования индивидуальных квантовых объектов – идея квантового компьютера, собственно, и запустила. Действительно, стимулирующим фактором стремительного развития в последние годы таких технологий как квантовые коммуникации, квантовые генераторы случайных чисел, квантовое моделирование, а также квантовые сенсоры, можно считать именно квантовый компьютер.

На данный момент универсальный квантовый компьютер – гипотетическое устройство, а его создание – один главных вызовов для науки и инженерии. Предстоящая в рамках Международной конференции по квантовым технологиям (которая состоится в Москве 12-16 июля 2017 года) публичная лекция лидера квантового проекта Google Джона Мартиниса призвана раскрыть наиболее интересные аспекты гонки, разворачивающейся вокруг построения квантового компьютера.

Что может дать нам квантовый компьютер? Кроме революционных последствий для существующих инструментов информационной безопасности, квантовый компьютер откроет путь к новым материалам, новым методам поиска по базам данных, распознавания образов, машинного обучения, а также, как прогнозируется, к новой эре в развитии искусственного интеллекта.

Квантовый компьютер компании D-Wave на обложке журнала Time.

Двадцатый век подарил нам компьютеры. Несмотря на тот факт, что элементарная ячейка компьютера – транзистор – может также по праву считаться квантовой технологий, для описания работы имеющихся в нашем распоряжении компьютеров достаточно классической физики. Поэтому мы будем называть привычные нам компьютеры классическими. Для описания процесса вычисления понятие машины Тьюринга, полностью имитирующей исполнение алгоритма на компьютере.

К идее квантового компьютера научное сообщество подвели «три мысленных облачка» [1]. Первое «облачко» – развитие и обобщение классической теории информации Шеннона на квантовый случай. Несмотря на то, что поначалу интерес к такой задаче можно считать чисто академическим, а рассмотрение достаточно абстрактным (характерным больше для математики, чем для физики), эти исследования быстро выявили потенциал квантовых систем для теории информации. Важные парадигмы для квантовой теории информации возникли в работах Юрия Манина, Стивена Визнера (предложившего сопряженное кодирование и «квантовые деньги»), а также Александра Холево (доказавшего знаменитую «Теорему Холево»). Позднее, с помощью разработанной Дэвидом Дойчем квантовой машины Тьюринга начали исследоваться первые квантовые алгоритмы для гипотетических квантовых компьютеров.

Второе «облачко» – это интерес к вопросу о том, какие физические ограничения накладывает квантовая механика на возможности компьютеров. Этот вопрос поднимался Чарльзом Беннетом (одним из создателей квантовой криптографии), и был освещен Ричардом Фейнманом в одном из первых докладов, посвященным квантовым вычислениям. Оказалось, что сформулировать такие ограничения (за исключением, пожалуй, размерных, согласно которым вряд ли транзистор может быть меньше, чем один атом) достаточно трудно. А если мыслить в терминах размерных ограничений, то можно гипотетически построить очень миниатюрный компьютер, в котором все классические биты (0 и 1) будут заменены на квантовые биты (кубиты), реализуемые с помощью двухуровневых квантовых систем (системы, которые могут находиться в двух возможных состояниях). Такой миниатюрных компьютер будет описываться законами квантовой физики, а квантовые биты будут находится не только в двух состояниях, но и во всех возможных суперпозиции этих состояний.

Наконец, третье «облачко» связана с тем, что компьютеры продемонстрировали свой потенциал для сложных расчетных задач, например, в атомных или космических проектах. Однако в задачах, связанных с расчетом из нескольких квантовых частиц, серьезных продвижений не было. Тем не менее, актуальных задач для расчетов в области квантовой физики достаточно много.

Все эти идеи в совокупности представляли большой интерес для научного сообщества, но не отвечали на главный вопрос: что могли бы дать гипотетические квантовые вычислительные устройства? Преимущества в вычислениях? В каких задача? Расчет многочастичных квантовых систем? Каким образом?

В начале 90ых годов было предложено несколько квантовых алгоритмов, которые давали заметный выигрыш по сравнению с существующими классическими алгоритмами. В 1992 году Дэвид Дойч и Ричард Йожи (на основе предшествовавшей работы Дойча 1985 года) показали, что квантовой компьютер дает выигрыш в задаче в достаточно специфической задаче. Представим себе, что у нас есть функция, про которую точно известно, что она либо принимает всегда одинаковое значение (0 или 1) для всех аргументов, т.е. является постоянной величиной, либо является сбалансированной (для половины области определения принимает значение 0, для другой половины 1). Вопрос: сколько нужно раз посмотреть на результат вычисления этой функции, чтобы сказать сбалансированная она или постоянная? В этой (прямо скажем, достаточно непрактичной) задаче квантовый компьютер демонстрирует экспоненциальный выигрыш по сравнению с классическим.

Другим (тоже не больно практичным) важным шагом стал алгоритм Саймона. Алгоритм Саймона вычисляет период функции s за линейное время, в то время как любому классическому алгоритму требуется экспоненциальное время в зависимости от длины входного аргумента функции.

Тем не менее, именно алгоритм Саймона вдохновил Питера Шора на создание квантового алгоритма решения задачи факторизации (разложение числа на множители) и дискретного логарифмирования. Несмотря на опять же присутствующее изобилие сложны математических терминов, эти задачи гораздо практичнее, чем кажутся на первый взгляд. Такие задачи используются в криптографии с открытым ключом. Идея криптографии с открытым ключом состоит в том, чтобы использовать такую задачу, для которой прямое вычисление является простым, а обратная задача является сложной. В самом деле, перемножить два простых числа достаточно просто, а вот если задано большое число трудно сразу сообразить из каких простых множителей оно состоит. Трудно сообразить не только нам, но и даже самым лучшим классическим компьютерам.

Таким образом, если квантовый компьютер будет создан, то существующая информационная инфраструктура в части методов защиты информации должна быть модифицирована. Методы криптографии с открытым ключом используются в очень широком диапазоне продуктов для информационной безопасности, поэтому квантовый компьютер – настоящая угроза для конфиденциальности данных, атомная бомба информационного века.

Интересно отметить, что метод модификации, который гарантирует абсолютную стойкость шифрования даже при наличии квантового компьютера, был предложен за 8 лет до алгоритма Шора в работе Чарльза Беннета и Жиля Брассара, а также в работе Артура Экерта 1991 года. Однако лишь после создания алгоритма Шора работа Беннета и Брассара, предлагавшая использовать квантовые эффекты как способ защиты информации, получила заслуженное внимание научного сообщества.

Потенциал квантового алгоритма Шора, а также квантового алгоритма Гровера, который дает ускорение в другой практичной задаче поиска по базе данных, приковал пристальное внимание научного сообщества к задаче разработки квантового компьютера. В добавлении к упомянутым «трём облачкам» поспело четвертое – замечательный экспериментальный прогресс в области создания методов работы с квантовыми системам на уровне отдельных их индивидуальных объектов (фотонов, отдельных атомов, электронов и др). Этот прогресс был отмечен Нобелевской премией 2012 года Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленд с формулировкой: «за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими».

Однако задача построения квантового компьютера чрезвычайно сложна. Построить большую систему, состоящую из квантовых объектов так, чтобы она была, с одной стороны, достаточно хорошо защищена от окружения (которое может деструктивно влиять на её квантовые свойства), при этом, с другой стороны, позволять объектам этой системы (кубитам) «разговаривать» друг с другом для реализации вычислений, действительно очень тяжело.

Позитивным фактом является то, что квантовые биты можно в принципе создать в совершенно разных физических системах. Это и ультрахолодные газы атомов и молекул в оптических решетках, сверхпроводящие квантовые цепи, фотоны и многие другие квантовые системы. При этом каждая из этих систем обладает рядом преимуществ и недостатков.

Например, с ультрахолодных атомов и молекул в оптических решетках можно создавать неуниверсальные квантовые компьютеры, называемые часто квантовыми симуляторами. Дело в том, что поведение таких частиц в оптических решетках очень напоминает поведение электронов в периодическом поле, создаваемом ионами. Установив некоторое соответствие между системами, можно с помощью системы атомов или молекул выявлять новые интересные фазы, которые должны при определенных условиях возникать и твердых телах. Наиболее интригующими здесь являются такие задачи как создание сверхпрочных сплавов или поиск материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние уже при комнатной температуре. Последнее, конечно, приведёт к революции в электротехнической промышленности, поскольку позволит передавать энергию без потерь. Моделирование квантовых состояний огромного числа атомов на обычных компьютерах и суперкомпьютерах требует колоссальных ресурсов, а его результаты лишь ограниченно применимы к реальной физике, а квантовые симуляторы могут открыть новые пути для революционных инноваций в сотовой связи, медицине и бытовой технике.

Одной из наиболее перспективных технологий на пути к созданию квантового компьютера является использование сверхпроводниковых кубитов. Именно на основе сверхпроводниковых квантовых бит работает квантовый процессор (вычислитель) компании D-Wave. Продукт компании D-Wave не является полноценным и универсальным квантовым компьютером, поэтому сегодня мы еще можем совершать покупки в Интернете, шифруя данные своей банковской карты существующими средствами. Продукт компании D-Wave, объединяющий несколько тысяч кубитов, в данный момент предназначен в большей степени для решения задач оптимизации методом квантового отжига.

Отжиг – металлургический термин – означает класс методов решения оптимизационных задач, действующих по принципу отжига, т.е. нагрева до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. В процессе охлаждения система «двигается» между состояниями, обеспечивающими минимальную энергию до тех пор пока не остынет, выбрав для себя лучшее состояния. За счет квантовых эффектов, таких как туннелирования, квантовые системы являются более «подвижной», поэтому позволяют эффективно находить наилучшее решение. Как и в случае с квантовыми симуляторами, квантовый отжиг не является универсальным методом. Он может быть направлен на решение задач определенного класса. Тем не менее, потенциал достаточно большой. Дело в том, что задачи оптимизации тесно связаны с задачами машинного обучения. Поэтому квантовый компьютер может потенциально принести большую пользу развитию новых высокоэффективных методов обучения нейронных сетей. Кроме того, большой интерес к квантовым методам оптимизации высказывают крупные индустриальные компании такие как NASA и Airbus [2].

Возможно, именно этот потенциал стал решающим для компании Google, сформировавшей не так давно исследовательские подразделения по созданию и изучению квантовых вычислений под руководством Джона Мартиниса. При чем компания исследует как потенциал уже существующего квантового компьютера D-Wave, так и ищет подходы к созданию универсального квантового компьютера на основе сверхпроводящих кубитов.

Другие компании, такие как IBM, Microsoft и Intel также демонстрируют интерес к созданию квантовых вычислений. Например, к квантовому компьютеру из 5 кубит, созданному IBM, открыт доступ [3]. Компании Microsoft и Intel налаживают тесные связи с научным сообществом. Совместные исследовательские программы, возможно, позволят раскрыть потенциал наиболее фундаментального подхода к квантовому компьютеру – топологическим защищенным от ошибок квантовым вычислениям. Дело в том, что от ошибок, вызываемых окружением можно защититься с помощью топологии. Некоторые параметры систем, называемые инвариантами, не меняются (при определенных ограничениях) при изменении внешних условий. Если связать кубиты с этими инвариантами, то можно защититься от ошибок. Однако создать такие состояния вещества достаточно трудно, сейчас исследования в области топологических квантовых вычислений с точки зрения эксперимента только начинаются.

Квантовый компьютер из-за воздействия окружения создать тяжело. Но если квантовые системы так чутко реагируют на изменения параметров окружения, то почему бы не использовать это? Например, квантовый сенсор в виде кристалла размером порядка нескольких нанометров может быть внедрен в клетку живого организма без нарушения её жизнедеятельности и затем использоваться для измерения микроскопических полей внутри этой клетки. С помощью этой технологии становится возможным проведение магнитно-резонансной томографии отдельных клеток, их частей и даже отдельных молекул. Это открывает совершенно новые горизонты для биологии и медицины. Становится доступным колоссальный объём знаний о жизнедеятельности частей клеток, развитии болезней, механизмов функционирования лекарств. Квантовые датчики помогут разобраться и в структуре синаптических связей головного мозга человека, сделав возможным лечение его болезней или позволив разобраться в других процессах мозговой активности.

Не стоит забывать, что квантовый компьютер – не только состоит из процессора. Он также предполагает наличие памяти и интерфейсов. Одним из наиболее перспективных кандидатов для построения памяти для квантовых состояния являются ультрахолодные атомы, а для интерфейсов – фотоны, ведь ни что не передаст информацию быстрее, чем частицы света. Поэтому возможным обликом будущего может быть гибридных квантовый компьютер, сочетающий все самые лучшие качества от всех самых лучших квантовых систем.

Необходимо также иметь ввиду, что квантовые компьютеры (в любых формах: симуляторы, «отжигающие» или универсальные) не решают все задачи лучше классических, а решают лишь специальные классы. Не хочется также ошибиться в прогнозах, как Кен Олсен, сказавший в 1977 «Вряд ли кому-то придет в голову установить компьютер дома», но есть основания полагать, что квантовые компьютеры войдут в нашу повседневную жизнь как часть общей и большой гибридной информационной инфраструктуры XXI века. Такое внедрение по-настоящему позволит раскрыть «сквозной» потенциал квантового компьютера и квантовых технологий вообще, открыв новые двери на пути к прогрессу.

[1] Отсылка на лекцию А. Гейма, где он рассказывал о «трёх облачках», которые привели его к графену.
[2] www.telegraph.co.uk/finance/newsbysector/industry/12065245/Airbuss-quantum-computing-brings-Silicon-Valley-to-the-Welsh-Valleys.html
[3] phys.org/news/2016-05-ibm-users-quantum.html