Один из создателей Российского квантового центра — о перспективах квантовых компьютеров

Основа обычных компьютеров — бит — это некоторый объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо «0», либо «1». Бит может кодироваться, например, напряжением полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то значения бита — логическая «1», а если меньше — то логический «0». Память компьютера — это массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Кубиты в отличие от битов могут находиться одновременно сразу в двух логических состояниях. Если бы кубит можно было построить на полупроводником транзисторе, то такой транзистор при попытке измерить его напряжение с определенной вероятностью выдал бы логическую единицу, а с другой, тоже ненулевой вероятностью — логический ноль. Но получить кубит на транзисторе невозможно, поскольку напряжение на нем всегда определяется однозначно — вместо этого их делают на различных миниатюрных системах, поведение которых описывается законами квантовой физики. Здесь есть два основных направления: одни группы работают с кубитами на основе микроскопических сверхпроводящих колец (логические «0» и «1» кодируют направления тока по кольцу, ток в такой системе может одновременно течь как по часовой, так и против часовой стрелки), а другие — на основе атомов, охлажденных до температуры в несколько кельвин («0» и «1» — это разные энергетические состояния атомов).

В перспективе вычислительная мощность квантовых компьютеров значительно превосходит мощности компьютеров обыкновенных. Если система из двух битов кодирует только два состояния, то система из 2 кубитов — сразу 4 (каждый кубит по отдельности одновременно и «0» и «1», а значит 2 кубита одновременно в 4 состояниях — «00», «01», «10», «11»), а система из 10 кубитов будет кодировать 2¹⁰, то есть 1024 состояний. При этом вычислительные операции над каждым из этих состояний можно совершать параллельно, и поэтому квантовый компьютер в каком-то смысле — это огромный массив параллельных процессоров

В качестве возможных применений квантовых компьютеров разработчики чаще всего говорят о моделировании различных физических процессов — это очень большие вычислительные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. Кроме этого, квантовые компьютеры часто упоминают в контексте кибербезопасности, поскольку многие современные методы шифрования могут быть легко взломаны за счет квантовых вычислений.

Считается, что на отметке примерно в 50 кубит наступит «квантовое превосходство» — универсальные квантовые компьютеры, то есть умеющие проводить все логические операции, превзойдут обычные не только количественно, по вычислительной мощности, но и качественно — они будут проводить вычисления с точностью, недостижимой для современных технологий. Однако сейчас таких машин пока нет. Самый мощный квантовый компьютер, если ориентироваться только на количество кубитов, у компании IBM: это машина на 17 кубитов.

Главным соперником IBM чаще всего называют Google: у них, по словам руководителя группы квантовых вычислений Google Джона Мартиниса, сейчас идут испытания 22-кубитного компьютера.

Кроме крупных технологических корпораций, в квантовой гонке участвуют и различные научные коллективы. Например, на прошлой неделе сообщалось о создании 51-кубитного квантового компьютера группой американских физиков во главе с Михаилом Лукиным, но эта информация оказалась неточной: в препринте научной статьи, рассказывающей об этом открытии, новая система описывается учеными как квантовый симулятор, а не квантовый компьютер — то есть она может моделировать определенные физические процессы, но не может проводить основные квантовые логические операции.

Однако сам Лукин в телефонном разговоре с корреспондентом «Чердака» уточнил, что в будущем они планируют использовать эти наработки для создания универсального квантового компьютера.

 — Сергей, когда мы сможем сказать — «человечество создало квантовый компьютер»? Я имею ввиду не дату, а критерии — как понять, что какое-нибудь устройство — это уже настоящий универсальный квантовый компьютер, а не только его прототип?

— Во-первых, когда мы сделаем на квантовом компьютере симуляцию какого-нибудь действительно важного физического процесса. Например, сегодня Джон Мартинис (14 июля Мартинис читал в Москве открытую лекцию на международной конференции по квантовым технологиям ICQT — прим. «Чердака») привел хороший пример с аммиак — удобрением, которое гораздо эффективнее синтезируется нашим организмом, чем современной химической промышленностью. Если вы сделаете квантовую систему, которая рассчитает оптимальный синтез аммония, то это будет уже серьезно. Грубо говоря, будет серьезный экономический эффект

Во-вторых, нужно сделать квантовый симулятор, о котором говорил еще Фейнман — такой, на котором моделируют процессы, непросчитываемые на классическом компьютере. И здесь есть важный промежуточный результат Миши Лукина (Белоусов имеет в виду статью о 51-кубитном симуляторе — прим. «Чердака»). Я думаю еще до конца этого года они смогут решить какую-нибудь задачу, которая на классическом компьютере хотя и решаема тоже, но только за какое-то очень длительное время.

Наконец, третий шаг — это универсальный квантовый компьютер на котором можно просчитать какую-нибудь задачу — например, факторизовать числа (разложить на множители — прим. «Чердака»), которые на классическом компьютере решаются только за экспоненциальное время, то есть, грубо говоря, за время жизни Вселенной. Когда такое станет реально, то будет понятно, что у нас есть настоящий квантовый компьютер. То есть три стадии: некий квантовый компьютер с узкими задачами, полезный квантовый симулятор, реально полезный квантовый универсальный компьютер.

— Получается, критерии только в решенных задачах? Не в количестве кубитов?

— Количество кубитов — это только одна часть квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров. И пока непонятно, сколько кубитов и какое железо будет у универсального квантового компьютера. К примеру, архитектура, которую представил Миша, кажется, удовлетворяет всем вышеназванным критериям в некой достаточно далекой перспективе.

— Но это же пока совсем не универсальный квантовый компьютер?

— Это похоже на то, что может стать универсальный квантовым компьютером. Когда люди изобрели первые кремниевые транзисторы, они не представляли, что на их основе можно сделать процессоры Intel, хотя с точки зрения дизайна, архитектуры, — это был точно такой же элемент, который теперь лежит в основе вычислительных плат.

— Все сравнивают квантовые компьютеры и компьютеры полупроводниковые, но почему никто не упоминает, что еще есть другие альтернативы — оптические компьютеры, молекулярные компьютеры?

— Есть два мира — цифровой и квантовый, а в промежутке между ними разные комбинации. В этом смысле биологические вычисления и любые другие вычисления — просто некоторые вырожденные версии квантовых вычислений: если сделать универсальный квантовый компьютер, то на нем можно будет симулировать все остальные промежуточные компьютеры.

Безусловно, биологические компьютеры более энергоэффективны чем классические компьютеры и это очень важно: сейчас вычисления съедают несколько процентов от мировой электроэнергии, а если нам понадобятся еще более мощные компьютеры, то сначала они сожрут уже все электричество, а потом выделят столько тепла, что мы превратимся в маленькое Солнце. Но это не единственная проблема с классическими компьютерами: они еще слишком большие и слишком медленные, а с этим справиться могут только квантовым вычисления.

 — И вы, и другие чаще всего говорят о том, что квантовым компьютеры будут использовать для моделирования различных физических процессов. Не сломает ли это классическое разделение труда у исследователей: теоретик — экспериментатор — моделист?

— Знаете, квантовые компьютеры вместе с технологией глубокого машинного обучения могут вообще отменить необходимость, например, Миши Лукина. То есть они один раз научаться делать эксперименты, а потом будут работать сами.

— Вот как. Так говорят про многие профессии, но физиков в списке возможных жертв искусственного интеллекта упоминают в самую последнюю очередь.

— Теоретически в этом нет ничего невозможного, но ответить точней нельзя хотя бы потому, что человеческий мозг — это самый сложный объект во Вселенной. На эту тему есть три варианта мыслей. Первый представляет [американский футуролог] Рэй Курцвейл, который в своей книге How to Create a Mind пишет, что человека можно создать, грубо говоря, на мощном суперкомпьютере: нужно только много процессоров, хороший алгоритм — и все сработает.

Другой взгляд — это профессор математики MIT Скотт Ааронсон (сейчас он работает в Техасском университете в Остине — прим. «Чердака»), который написал книгу Quantum Computing since Democritus. У него позиция не совсем четкая: он то ли считает, что разум человека можно воспроизвести в классическом компьютере, то ли в квантовом, и сам до конца не определился. Наконец есть слегка сумасшедший Роджер Пенроуз который тоже написал очень известную книгу (скорее всего, Белоусов имеет в виду книгу «Новый ум короля» — прим. «Чердака»), где основной смысл в том, что человека нельзя никогда создать ни на классическом компьютере, ни на квантовом, и поэтому нельзя будет никогда заменить нашего Мишу Лукина.

Я же склоняюсь к тому, что на квантовом компьютере это будет вполне реально. Но это чисто интуитивное ощущение. Оно может быть обманчивым и выглядеть странным, хотя квантовая механика, к примеру, тоже выглядит странной.

— Люди, разрабатывающие квантовый компьютер, часто повторяют, что это большая гонка, а потом оговариваются, что в ней все участвуют сообща — соревнуются только с природой. Это выглядит странно. Обычно такое противоречие объясняется одной из двух причин: либо общая цель гораздо меньше, чем о ней говорят, и все только изображают гонку, либо общая цель гораздо больше, и настоящая работа идет в тайне, как это было с Манхэттенским проектом. Какой вариант здесь?

— Есть два ответа на этот вопрос. Первый заключается в том, что люди плохо видят два типа вещей. Во-первых, маленькие объекты, которые двигаются с большой скоростью: как пули — пиу, и не видно ничего. А во-вторых, это очень большие вещи, которые двигаются сравнительно медленно — такие, как изменения климата. Квантовый компьютер несет огромные перемены, и люди пока их пытаются не замечать.

Что касается второго варианта ответа, то еще с того момента, как вышла общая теория относительности, люди, наверное, понимали, что можно сделать атомную бомбой. А может быть, даже немножко раньше. Общая теория относительности появилась в начале XX века, а Манхэттенский проект возник в 39-ом, то есть несколько десятилетий люди мирно коллаборировали, а потом началась тайная работа.

Квантовый компьютер сейчас тоже в стадии мирной коллаборации. Все понимают, что это вроде бы достаточно страшная штука, хотя и полезная — и просто сотрудничают друг с другом, но в некоторый момент такое, наверное, закончится. Мы еще до такой стадии не дошли, но это может произойти, а в мире, где у одной страны есть квантовой компьютер, а у другой нет, все, действительно, может быть не очень хорошо. Это как с ядерной бомбой. Но тут, главное, чтобы это не Северная Корея была.

— По-моему, есть еще одна опасность: порог входа на рынок квантовых вычислений очень высокий. Нужна команда высококлассных физиков, дорогое оборудование. Квантовые компьютеры под силу только государственным структурам или большим корпорациям.

— Нет-нет, это совершенно не так. Люди сравнивают квантовые компьютеры с Манхэттенским проектом или, например, Bell Labs (в лаборатории разработали много важных технологий: от транзистора до языка С++ — прим. «Чердака»), которая в некоторые момента обходилась в несколько миллиардов долларов в год, но у квантовых компьютеров совершенно другие масштабы. Например, группа Джона Мартиниса состоит всего из 23 человек — на нее нельзя потратить так уж много денег. Создание квантового компьютера — это не обязательно такой тяжелый процесс, его можно сделать, скажем, за сто миллионов долларов. И это, кстати, очень тяжело донести, например, до российского государства.

— Все-таки это не гаражный стартап. Да и свой Цукерберг, пишущий прототип продукта на коленке, в области квантовых вычислений вряд ли появится.

— Сложно сказать. Они все равно появляются! Вот, например, одна компания в Калифорнии недавно подняла под строительство квантового компьютера 64 миллиона долларов и похожую сумму сейчас собирает один из соперников Миши Лукина, с которым он, собственно, коллаборирует, — Крис Манро из Университета Балтимора. Это не масштабы гаражных стартапов в привычном понимании, но сколько, например, Илон Маск уже потратил на свою «Теслу»? То, что сейчас в квантовые компьютеры не вкладывают повсеместно больших денег, на мой взгляд объясняется только один: это настолько большие изменения, что мы их пока не замечаем. Они движутся так, понемногу — у-у-у, все ближе, ближе, ближе, а кажется, что ничего не меняется.

За помощь в организации интервью с Сергеем Белоусовым «Чердак» благодарит организаторов международной конференции по квантовым технологиям ICQT17, проходившей в Москве с 11 по 16 июля.