Квантовый компьютер: большая игра на повышение. Лекция в Яндексе

Всем добрый день. Я хочу поблагодарить организаторов. Раз квантовые технологии стали темой обсуждения в таком формате, значит эта тема воспринимается, начинает звучать на достаточно высоком уровне. Такие компании, как Яндекс, — лидеры в IT-индустрии, и очень здорово, что в их повестке дня и в их сфере интересов появляется квантовая технология. Это некий мировой тренд. Я очень рад, что мы сегодня выступаем здесь.

Я работаю в Российском квантовом центре и представляю команду, которая в рамках Российского квантового центра занимается разработкой IT-продуктов. Квантовый центр стартовал как фундаментальный научный институт, но очень быстро в процессе развития стал заниматься прикладными исследованиями в сфере квантовых технологий, одно из них — квантовая криптография, проект, которым мы занимаемся. И наши спикеры — я, Евгений, Максим, Николай — мы все представляем эту команду, поэтому будем рады не просто формально поговорить о заявленной теме, но и повзаимодействовать с той точки зрения, что наши интересы довольно сильно перекрываются. Будем рады любым вопросам в сфере квантовых технологий, не ограничиваясь квантовыми компьютерами.

На свой центральный слайд я поместил эту картину. Знаете ли вы, что это за символ?

Это статуя, которая располагается рядом с Франкфуртской фондовой биржей и означает две стратегии того, как можно играть на рынке: на повышение и на понижение. Квантовый компьютер является краеугольной квантовой технологией, и сейчас к его развитию подключается не только государство как основной инвестор фундаментальных исследований, но и IT-компании, крупные производители информационных технологий. Они играют в этом смысле на повышение, вкладывают большие средства и усилия в разработку квантового компьютера, потому что видят в нем некую новую возможность для революции в информационных технологиях. И основной месседж моего доклада — то, почему квантовые технологии и квантовый компьютер — это очень круто, и почему он не просто является интересной и красивой идеей, а действительно предоставляет огромные возможности для развития всей индустрии IT.

Что я как человек, большую часть времени занимающийся физикой, слышал от специалистов по программированию и IT? Я слышал о следующих трендах.

Мы часто слышим о большом количестве новых стартапов или таких проектах уже существующих компаний, как интернет вещей, машинное обучение, big data и информационная безопасность. Эти тренды звучат везде, задают информационные поводы, однако за ними, кроме красоты алгоритмических решений, красоты математики, красоты программирования, стоит реальное железо. И это железо уже квантовое.

Если смотреть тренды развития не информационных, а квантовых технологий, то сейчас это переход от управления коллективными квантовыми явлениями, которые лежат в основе таких устройств, как транзисторы и лазеры, к управлению индивидуальными квантовыми свойствами.

Грубо говоря, лазер — управление большим количеством частиц света, большим количеством фотонов, а сейчас мы научились управлять светом, атомами, веществом на уровне отдельных микроскопических элементов. Такой тренд наблюдается год от года, возникает все больше экспериментов, предложений, которые используют законы о квантовой физике уже на уровне отдельных фундаментальных частиц материи. И здесь для меня самым восхитительным является то, что это не просто идет от желания познать фундаментальную науку, но и востребовано в технологических трендах.

Квантовые частицы позволяют построить компьютер, который будет решать свои задачи быстрее. Квантовые компьютеры позволяют построить системы коммуникации, которые будут лучше защищены от прослушивания. Квантовые технологии позволяют создать более миниатюрные сенсоры.

И все это лежит в основе таких применений, как GPS, будущие медицинские сенсоры, новые материалы, которые и востребованы в трендах информационных технологий.

Все технологически успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий. Если вернуться в историю — все мы помним космическую гонку между СССР и США.

В квантовой гонке участвуют не только государства, но и частные компании. Суммарно Google, IBM, Intel и Microsoft вложили около 0,5 млрд долларов в развитие квантовых компьютеров за последнее время, создали крупные лаборатории и исследовательские центры.

Квантовые технологии еще интересны тем, что подразумевают под собой некий формат исследований, где фундаментальная наука очень тесно сопряжена с прикладными исследованиями.

Здесь представлена карта квантовых центров мира, которые являются точками компетенции и точками роста. В 2011 году на этой карте появился Российский квантовый центр, который я представляю. Это фундаментальный научный институт, который превратился в экосистему, где фундаментальные исследования сосуществуют и стимулируют развитие прикладных технологий.

Однако сегодня мы говорим о квантовом компьютере, и хочется в рамках этой лекции создать некий контекст, позволяющий понять, почему квантовые компьютеры вообще интересны и нужны.

Здесь представлен всем известный закон Мура, который выражает некий тренд роста производительности уже существующих компьютеров. Мы знаем, что год от года компьютеры становятся мощнее, однако за этим стоит уменьшение элементной базы, ее миниатюризация. Благодаря нашему прогрессу в создании транзисторов мы можем создавать их всё меньше, и располагать всё плотнее на элементарную единицу площади.

Но, конечно, у этого тренда есть фундаментальный предел. Он обусловлен физикой.

Вряд ли мы сможем создать транзистор размером с один атом. Для этого требуется хотя бы несколько атомов. Насколько я знаю, самый миниатюрный в мире транзистор состоит из семи атомов. Однако если закон Мура будет продолжаться так, как он продолжается, то в 2020 году нам потребуется создавать компьютеры с транзистором в один атом. И это кажется невозможным.

Что здесь можно сделать? Можно наращивать производительность за счет других технологий, за счет облачных вычислений, распараллеливания, придумать какую-то элементную базу, которая позволит максимально близко подобраться к пределу закона Мура, то есть создать самый маленький в мире транзистор. Это очень классная задача.

Однако даже если мы подойдем очень близко к закону Мура, у нас останутся задачи, которые классический компьютер решает очень плохо. Не мне в среде специалистов по IT об этом говорить, но приведу примеры нескольких задач.

Первая — задача оптимизации поиска. Она достаточно плохо решается на классических компьютерах.

Вторая, наиболее близкая мне и важная — моделирование сложных физических систем. Например, используя моделирование из первых принципов, очень тяжело промоделировать какую-то достаточно сложную физическую систему. Это требует огромного количества ресурсов.

Есть разные прикладные задачи, которые для широкой аудитории кажутся достаточно отдаленными от практики, такие как разложение на простые множители. Однако всем известна их фундаментальная важность для различных технологий.

И даже если мы будем подбираться близко к пределу закона Мура, то такие задачи решить мы не сможем.

Конечно, сможем. Но для этого будет требоваться много времени.

Хотелось бы получить физическую систему, которая позволит решать эти задачи более оптимальным образом. Оказывается, она существует, и возникает в контексте квантового компьютера.

Я подсмотрел в нобелевских лекциях Андрея Гейма, одного из создателей графена, такую интересную идею. Он рассказывал, как он пришел к идее заняться исследованиями в области графена, пользуясь мысленными облачками. Он о чем-то слышал, это как-то обрабатывалось у него в голове, и когда он накопил достаточно мысленных облачков, у него создалась концепция, что заниматься двумерным углеродом и графеном очень интересно.

Я считаю, что к концепции квантового компьютера привели три мысленных облачка.

Первое. Непонятно, как быть с вычислительно сложными задачами. Неужели нам всегда будет действительно трудно промоделировать какую-то физическую систему? Или действительно ли задача разложения на простые множители не имеет достаточно эффективного классического алгоритма?

Второй момент более физичный. Он связан с исследованием вопроса о том, что за ограничения квантовая физика как одна из наиболее точных физических теорий накладывает на процесс вычислений. Например, Ричардом Фейнманом и Чарльзом Беннеттом исследовался вопрос, какое минимальное количество энергии или теплоты выделяется при совершении одной элементарной операции. Можно ли создать компьютер, наиболее продуктивный и наиболее экономный с точки зрения выделения энергии? Как создать самый миниатюрный компьютер?

Третий вопрос больше к математике. Он связан с исследованием вопроса о том, какие интересные свойства приобретает теория информации, если перейти от описания классических объектов в классической теории вероятности к описанию квантовых объектов, к квантовой теории информации. Изображенная здесь банкнота иллюстрирует идею квантовых денег. Это одна из первых концепций, которая подразумевает использование каких-то практических информационных технологий. Дело в том, что если создать банкноты, в которых подлинность будет обеспечиваться созданием специальных квантовых состояний, то за счет специфических свойств квантовых систем такие банкноты нельзя будет подделать.

Второй портрет здесь — портрет нашего соотечественника Александра Холево. Он известен во всем мире как создатель одной из фундаментальных теорем — квантовой теоремы информации или теоремы Холево. Здесь, в основании квантовой теории информации, нам есть чем гордиться. Российские исследователи сохраняют хорошую традицию интересных публикаций, интересных результатов в этой области.

Что дает квантовая физика? Какие интересные следствия и фишки у нее есть, которые могли бы быть полезны с точки зрения теории информации или будущих вычислений?

В классическом мире мы привыкли думать о том, что если у нас есть состояние какой-то физической системы, то оно должно быть однозначно чем-то задано. Если у нас есть точка в пространстве, то мы знаем, что система находится в этой точке пространства. В квантовой физике такое понятие ввести нельзя. Дело в том, что квантовая система, если она не наблюдается, находится в суперпозиции всех возможных состояний. В частности, если у нее есть два допустимых состояния, орел и решка, то до тех пор, пока мы не измерили это состояние, это и орел, и решка одновременно. И только измерение дает нам гарантированный ответ, в каком состоянии находится система. До измерения система находится в состоянии суперпозиции.

Второй свойство — свойство квантовой запутанности. В квантовом мире частицы могут проявлять очень сильные корреляции, то есть их свойства могут быть очень сильно завязаны между собой, даже если эти частицы достаточно сильно пространственно удалены. Объясняя концепцию квантовой запутанности, часто приводят пример мысленного эксперимента, когда у нас была какая-то частица со спином 0, она распадается на две частицы, одну мы оставляем у себя в лаборатории, вторую отправляем в Туманность Андромеды, и, измеряя спин первой частицы, мы точно узнаем спин частицы в Туманности Андромеды. Это и есть в некотором смысле проявление свойств квантовой запутанности, сильных квантовых корреляций, которые могут быть полезны с точки зрения вычислений.

Третья вещь — хрупкость. Квантовые состояния по сравнению с классическими являются достаточно хрупкими. И процесс измерения как раз и является процессом возмущения. Вопрос в том, детерменированно ли этот процесс возмущения происходит. Это один из ключевых челленджей на пути к созданию квантовых технологий. Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой будут, с одной стороны, достаточно хорошо взаимодействовать между собой и при этом будут достаточно хорошо защищены от окружения, которое может их разрушить.

Еще один интересный аспект — теорема о запрете клонирования. Это запрещающая теорема. Если в квантовом мире есть произвольное квантовое состояние, заранее неизвестное, то его нельзя скопировать, в отличие от классической информации. Если есть классический сигнал, его всегда можно скопировать. В квантовом мире произвольное квантовое состояние скопировать нельзя. И это радикальное отличие квантовой информации от классической.

На чем строится концепция квантовых вычислений? В принципе, можно в определенной степени абстрагироваться от сложных законов квантовой физики и представлять себе концепцию квантовых вычислений следующим образом.

Система битов, которая нам привычна в классических компьютерах, заменяется на систему кубитов. Это двухуровневая квантовая система или система типа орел-решка, когда есть два возможных состояни, и до момента измерения система находится в суперпозиции: одновременно и в этом состоянии, и в этом с какой-то вероятностью.

Все биты, которые у нас есть, заменяются на кубиты. Все логические элементы из классических процессов заменяются на квантовые процессы, и результат вычислений получается путем измерений. Таким образом в квантовом компьютере получается обработка сразу всех возможных вариантов реализации, то есть на вход вы подаете не один бит, не ноль или единицу, а все возможные комбинации — и проводите все операции над этой суперпозицией. В результате получается некое квантовое состояние. Производите его измерение и получаете ответ.

В принципе, на понятийном уровне это вся концепция квантовых вычислений. Биты заменили на кубиты, классические операции заменили на квантовые операции, в результате получаем то, что нужно измерить, многократно измеряем и получаем ответ.

Это то, из чего могут состоять кубиты. Дело в том, что кубиты могут состоять из огромного многообразия различных физических систем. Мы привыкли, что бит кодируется за счет уровня напряжения. В квантовой физике есть многообразие физических систем. Это и частица света, и частица материи, и ядерные спины, и твердотельные системы, которые могут находиться в таком интересном состоянии суперпозиции. Они обладают различными преимуществами и различными недостатками. Вот ключевой на сегодняшний день факт: никто до конца не понимает, на какой физической, элементной базе будет построен квантовый компьютер в итоге. Есть уверенность в том, что так называемые твердотельные системы или системы со сверхпроводниковыми кубитами являются одними из лидеров, однако около месяца назад проводилось соревнование между двумя квантовыми компьютерами, построенными на разных физических принципах, и оно не выявило какого-то радикального преимущества одной системы над другой. Одни системы лучше масштабируются, другие легче контролировать, третьи лучше защищены от декогеренции, от процесса взаимодействия с окружением.

Давайте в рамках лекции ограничимся двумя возможными картинами. Первая — поляризация света. Это очень просто себе представлять, частица света — очень простая двухуровневая физическая модель, и она очень популярна в другом приложении квантовых технологий: в так называемых квантовых коммуникациях. Вторая картина — спин. Спин может быть вверх или вниз, это и есть кубит. До тех пор, пока мы не измерили, это состояние суперпозиции. Плюс-минус одна вторая.

То, о чем я уже сказал, — интересный процесс, который возникает в результате квантовых вычислений. Возникает новое квантовое состояние.

На вход подали некоторую суперпозицию нуля и единицы, провели с ней многократные процедуры. На выходе есть суперпозиция нуля и единицы.

Чтобы получить ответ, нам нужно провести измерение, и его нужно проводить многократно. Квантовые вычисления подразумевают, что многократно на вход подается некоторое заранее известное квантовое состояние. Над ним производится процедура преобразования и потом измерения. И измерение в итоге дает ответ.

Эта процедура квантовых измерений достаточно сложная. Это холиварная тема даже для специалистов в области квантовой физики. Обращаю ваше внимание, что у нас есть регулярная рубрика на сайте N+1, которая называется «Квантовая азбука», и мы там обсуждаем такие тонкие вопросы, в том числе вопросы квантовых вычислений.

Зачем нам все это нужно? Что поможет нам сделать квантовый компьютер, какие интересные фишки он нам даст? Для чего вся эта свистопляска с заменой битов на кубиты, заменой логических операций и итоговых результатов вычислений? Что это дает?

Это дает преимущества в целом классе задач. Самая интересная для меня задача, которую квантовый компьютер решает хорошо, — задача факторизации дискретного логарифмирования, поскольку она лежит в основе систем с ассиметричной криптографией. И каждый раз, когда мы покупаем что-то в интернете, наши данные кредитной карты шифруются при помощи алгоритмов ассиметричной криптографии, криптографии с открытым ключом. Они, в свою очередь, базируются на таких задачах, в частности, как дискретное логарифмирование и разложение на простые множители. И в этом смысле квантовый алгоритм Шора — самый главный и самый интересный пример квантового алгоритма, потому что он решает практическую задачу экспоненциально быстрее, чем классический компьютер. В этом смысле квантовый компьютер — угроза существующей инфраструктуре информационной безопасности.

Как только он появится, любую систему открытого распределения ключа, которая базируется на таких задачах, можно будет взломать. С одной стороны, это плохо, это может привести к революции, и часто квантовый компьютер называют информационной бомбой XXI века. Но с другой стороны, на данный момент беспокоиться очень сильно не нужно, потому что алгоритм Шора требует универсального квантового компьютера, который может решать любую алгоритмически формулируемую задачу, и это очень сложно. Да, это дает колоссальные преимущества, но именно из-за факта, что квантовые системы хрупкие к внешнему воздействию, очень тяжело создать систему из достаточно большого количества кубит, чтобы над ними проводить все операции и потом измерения.

Квантовый компьютер, чтобы обеспечить, например, взлом систем с ассиметричной криптографией, должен обладать достаточным количеством кубит, работающих в таком квантовом режиме. И он требует создания эффективных методов управления этими квантовыми системами.

Сегодня об универсальном квантовом компьютере вам расскажет Евгений Киктенко именно в контексте алгоритмов. Какие алгоритмы интересны для квантового компьютера с точки зрения приложения? А Максим Ануфриев — с точки зрения решения задачи машинного обучения на универсальном квантовом компьютере.

Универсальный квантовый компьютер — сложная задача, и это очень важно понять. Нет даже однозначной временной оценки, когда он появится. В нынешнем году вокруг этой темы много хайпа, даже первый выпуск журнала Nature вышел, одна из статей — «Квантовые компьютеры выпрыгивают из лаборатории» с прогнозом, что уже в 2017 году может появиться какой-то коммерческий квантовый компьютер, способный решать действительно полезные задачи. Причем прогноз настолько оптимистичный, что якобы появится полноценный универсальный коммерческий квантовый компьютер для решения практических задач.

Хотя это очень спорный вопрос. Оценки экспертов варьируются от 5 до 25 лет. И в этом смысле очень сложно сказать, когда квантовый компьютер реально возникнет.

Квантовый компьютер, который существует уже сейчас, построила компания D-Wave. Он хорош для решения очень узкого класса задач, интересных сегодня: задач машинного обучения и искусственного интеллекта. Такой компьютер очень легко масштабируется, но он работает не полностью в квантовом режиме и не может решить любую произвольно заданную задачу. Он дает ускорение только в определенном классе задач за счет очень любопытного механизма, о котором сегодня расскажет Николай Пожар, именно в контексте обучения не универсального квантового компьютера, а на примере D-Wave.

Есть еще одна разновидность квантовых компьютеров, которая называется квантовым симулятором. Он предназначен для решения еще более специфического класса задач — именно для моделирования других типов физических систем. Здесь достаточно большие перспективы — например, для поиска высокотемпературных сверхпроводников. Это материалы, которые могут проводить электрический ток без потерь при комнатной температуре. Пока теория для таких систем известна только для очень низких температур. Есть экспериментальные исследования, которые вдруг обнаруживают какие-то материалы, проводящие ток при разных температурах, например при –100 градусах Цельсия. Однако полноценной теории высокотемпературных сверхпроводников нет, потому что это вычислительно сложная задача. Квантовые симуляторы призваны воспроизводить некоторые свойства таких физических систем и давать некоторую подсказку, в каком направлении такие материалы можно искать. Но симуляторы также не являются универсальными квантовыми компьютерами.

Как я уже говорил, в исследования в области квантовых компьютеров уже вкладывают IT-компании. Очень классный пример — компания Google, которая просто переманила к себе Джона Мартиниса, одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений на сверхпроводящих кубитах. Джон Мартинис одновременно руководит несколькими направлениями. Одно из них — создание полноценного универсального квантового компьютера. Другое — исследование существующего квантового компьютера компании D-Wave и поиск тех задач, в которых он дает преимущество.

Кстати, Джон Мартинис будет в этом году на конференции Российского квантового центра. Там будет открытая лекция, где он о квантовом компьютере, который разрабатывается в Google, может рассказать просто всё.

Другой большой игрок — компания IBM. Она недавно анонсировала свою открытую онлайн-платформу для работы с их пятикубитным квантовым компьютером. В этом смысле программы для квантового компьютера может писать уже кто угодно, но, конечно, его потенциал ограничен тем, что кубитов достаточно мало.

Другое игроки на этом рынке — Microsoft и Intel, и у них выстрел с наиболее длинным прицелом — создание антопологического квантового компьютера. Из-за декогеренции, из-за того, что окружение вносит ошибки в процесс квантовых вычислений, часть ресурсов квантового компьютера нужно тратить на их исправление. Топологические квантовые системы позволяют избежать этого. На данный момент это очень фундаментально сложная научная концепция, за которой стоит достаточно много интересной математики. Это очень сильно отдалено на данный момент от какой-либо практической реализации. В частности, предсказываемые топологические состояния материи, которые интересны с точки зрения вычислений, еще не были обнаружены в эксперименте. Однако за базовые исследования в области следствий топологий для физики в 2016 году была присуждена Нобелевская премия.

Очень интересен следующий факт: мы привыкли, что классический компьютер — фактически одна и та же система, твердое тело, отвечающее за всю его функциональность. Мы и память, и вычисление проводим, фактически, на одной элементной базе. Однако квантовый компьютер позволяет нам сделать так называемую гибридную систему, которая будет брать от природы, от различных форм квантовой материи самое лучшее. Например, известно, что процессоры на данный момент, кажется, лучше всего строить с помощью сверхпроводниковых кубитов. Все интерфейсы, все то, благодаря чему квантовые компьютеры и их различные элементы будут общаться между собой, можно строить при помощи фотонов — частиц света. Это наилучший агент для передачи информации.

Конечно, в процессе вычисления иногда нужно хранить промежуточные результаты, потом проводить с ними дальнейшие операции. Лучшие показатели с точки зрения хранения квантовых состояний показывают атомные системы. Поэтому квантовый компьютер — большая и интересная фундаментальная задача, которая позволит скомбинировать, взять от природы лучшее и построить наиболее привлекательную, производительную и интересную гибридную систему.

В данный момент наша основная деятельность — работа не над квантовым компьютером, а над системой квантовых коммуникаций в рамках проекта QRate. И о квантовых коммуникациях мы еще будем рады поговорить. Квантовые коммуникации — щит, позволяющий нам защититься от меча квантового компьютера, создать систему распределения ключей, стойкость которых не зависит от вычислительных ресурсов злоумышленника. Спасибо за внимание.