И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере

О будущем квантовых технологий есть взаимоисключающие прогнозы. С одной стороны, это перспективный, но пока не очень большой рынок, объем которого к 2024 году составит $10,7 млрд. С другой — достаточно распространен прогноз, по которому квантовые компьютеры будут работать значительно быстрее традиционных и заменят полупроводниковую технику (к 2024 году рынок полупроводников составит более $600 млрд, согласно прогнозу ассоциации SEMI), а заодно кардинально изменят рынок информационной безопасности, поскольку позволят раскодировать все существующие зашифрованные данные.

Существует ли квантовый компьютер?

Этот вопрос оказался непростым. На научной части конференции физик из Гарварда и сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин заявил, что группа ученых под его руководством создала и успешно проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, а вечером на публичном обсуждении представители науки, а также российского бизнеса и госчиновники продолжали говорить о квантовом компьютере в будущем времени. Дело в том, что ученые ведут эксперименты, повышая количество кубитов в установках, но в продаже доступен аппарат только от компании D-Wave, который большинство исследователей не считают настоящим квантовым компьютером.

Сотрудник лаборатории Google по квантовому искусственному интеллекту и профессор калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джон Мартинис дал очень хорошее объяснение: «Мы можем говорить о создании квантового компьютера, когда он станет полезным. А для этого ему надо обогнать традиционные вычислительные системы на полупроводниках… Нет гарантий, что мы это сделаем, но физика работает на нас».

Будет ли квантовый компьютер быстрее традиционных, чей круче — Google или научной группы Лукина, а также о других проблемах и достоинствах квантовых компьютеров мы расскажем после небольшого объяснения сути их устройств.

Квантовые технологии

Конференция в целом была посвящена квантовым технологиям. Сейчас под ними подразумеваются процессы, в которых контролируется состояние отдельных частиц, например, электронов или фотонов. Некоторые из них не связаны с квантовыми компьютерами, но уже применяются в коммерческой технике. Например, на рынке доступны телевизоры, выполненные на основе квантовых точек. В них для электронов созданы такие условия, что он излучает свет в узком световом диапазоне. Получаются дисплеи с очень точной цветопередачей.

Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра, обобщил основные применения квантовых технологий тремя сферами: сенсоры, безопасная связь и квантовые вычисления.

Сенсоры — самая коммерциализованная сфера сейчас: уже доступны детекторы, способные обнаруживать отдельные молекулы. Их высокая чувствительность позволяет, например обнаружить следы взрывчатого вещества в багаже. Линии связи, защищенные квантовым шифрованием, нельзя незаметно прослушать. Пока в мире продаются единичные устройства для квантовой связи, но отметим, что часть защищенных таким образом линий созданы и работают в России. Наконец, третьим направлением являются квантовые вычисления. Пока они находятся на стадии исследований. Как было отмечено выше, продаются аппараты только одной фирмы, которые большинство ученых не считают полноценными квантовыми компьютерами. Зато их развитие может радикально изменить огромный рынок полупроводников.

Закон суров, но природа сильнее

Используемую нами информацию можно представить в двоичном виде, то есть зашифровать все числа, буквы, картинки и т.п. в виде 1 и 0. Это бит, логический элемент современного компьютера, и физически его реализуют с помощью полупроводниковых элементов — транзисторов. Они могут находиться в состоянии 1 или 0 (например, пропускает ток или не пропускает), и чем транзистор меньше, тем выше можно поднять его частоту и тем больше их можно объединить в чипе, что в итоге повысит производительность микросхемы.

Но современные транзисторы уже достигли характерного размера в 10 нанометров (одна стотысячная часть миллиметра), и в обозримом будущем полупроводники нельзя будет еще уменьшать, потому что их элементы будут состоять из одного атома. А атомы сжимать мы еще не научились.

Мартинис видит шанс квантовых компьютеров в том, что закон Мура (удвоение количества транзисторов в процессоре каждые два года) перестает выполняться и в ближайшие годы может перестать работать. Cооснователь Российского квантового центра (РКЦ) и генеральный директор Acronis Сергей Белоусов добавляет, что развитие классических компьютеров, даже в виде облачных вычислительных мощностей имеет ограничение: «Не удастся разогнать их выше определенного предела. Они ограничены по площади — когда-нибудь кончится место на Земле — и ограничены по энергии. При этом есть задачи, которые невозможно решить на обычных компьютерах ни за какое время».

Квантовый компьютер

Раз есть проблема, найдутся и те, кто заплатит за ее решение. Потенциально лучшей альтернативой классическим вычислительным системам станет квантовый компьютер. Его базовым логическим элементом является кубит, основная особенность которого — возможность одновременно находиться во всех возможных состояниях: одновременно и 1 и 0. Два кубита дадут уже четыре состояния: 00, 01, 10, 11. И так далее. И операции выполняются одновременно над всеми этими состояниями!

Это не фантастика, ловкий трюк позволяет применить квантовая физика, но ее эффекты заметны обычно на очень малых масштабах, поэтому физически кубиты создаются на базе ультрахолодных атомах, ионах и т.п. Даже если это относительно большие по размерам сверхпроводящие элементы, то речь идет об управлении отдельными электронами. Такие ювелирные операции можно проводить только с помощью точно дозированного излучения, а методы столь сложны и востребованны, что в 2012 году Серж Арош и Дэвид Вайнленд получили Нобелевскую премию за успехи в контроле над квантовым состоянием отдельных элементарных частиц.

Преодоление научных трудностей окупается открывающимися возможностями. С ростом количества кубитов, которые одновременно находятся в запутанном состоянии в квантовом компьютере, его производительность растет как 2^N. Например, квантовый компьютер на 20 кубитах производит одновременно около миллиона операций. А анонсированный Михаилом Лукиным 51-кубитный квантовый компьютер — более 2 квадриллионов операций. Получается, что при должном количестве кубитов квантовые компьютеры могут решить за пару часов задачи, на которые обычным компьютерам не хватило бы всей жизни Вселенной. И размер кубитов и частота их работы будут уже не важны — они же одновременно будут выполнять множество вычислений.

Гонка без ориентиров

Какой научный коллектив ближе всего к финишу в соревновании по созданию квантового компьютера? Мартинис утверждает, что в первую очередь идет гонка с природой. Каждый раз при создании новой модели с большим числом кубитов приходится преодолевать проблемы, которые казались нерешаемыми.

Чем больше кубитов, тем сложнее удержать их в запутанном состоянии — это необходимо, чтобы получать выигрыш в производительности перед классическими вычислениями. При этом надо управлять как введением начальных данных (переводом кубитов в начальное положение), так и съемом информации с кубитов. Например, в системе, которые создает группа Мартиниса в Google, это делается с помощью микроволнового излучения. Для перевода системы в квантовое состояние квантовый процессор (quantum processor unit) охлаждается почти до абсолютного ноля — 0,015 градусов Кельвина ( — 273 по Цельсию). И все равно возникают ошибки в вычислениях, которые снижают производительность.

Есть ли предел количеству одновременно запутанных кубитов? Мартинис считает, что трудности по их наращиванию удастся преодолевать и дальше, а Лукин видит ограничения в районе нескольких сотен, в лучшем случае 1000 кубитов. Такие системы все равно будут обладать гигантской по нынешним меркам производительностью. Кроме того, их можно будет объединять между собой, квантовыми сетями в единую вычислительную систему, считает сооснователь Российского квантового центра.

Однако оба ученых согласны, что арифметический подсчет количества кубитов не дает однозначного вывода о производительности компьютера. Так у научных групп Мартиниса и Лукина кубиты реализованы на разной физической базе — сверхпроводящих элементах и холодных атомах. Определить их эффективность можно, только исследовав их на реальных задачах. И дело не только в возможных ошибках. Важно, какие алгоритмы могут быть реализованы на вычислительных системах. Условно говоря, если условный квантовый компьютер очень быстро делает операции сложения, но не умеет делить вообще — толку от его скорости нет.

Мартинис согласился составить условный список. Он считает, что до публикации данных по системе Михаила Лукина на первом месте в абстрактной гонке за право прослыть первыми создателями квантового компьютера впереди был Google (22-кубитовый квантовый компьютер, в течении года планируется запустить 49-кубитовый), затем идут исследователи IBM (17-кубитовый аппарат). Но теперь он с нетерпением ждет подробностей от «команды Миши».

Ценность квантового компьютера

Среднестатистический пользователь может удивиться, зачем нужен квантовый компьютер, если ему хватает и процессора, установленного в смартфоне. Однако, и 20 лет назад находились те, кому хватало вычислительной мощности чипа в настольном компьютере, однако развитие микроэлектроники позволило создать смартфоны, с которыми мы теперь не расстаемся.

«Квантовый процессорный модуль», как называет свою установку Мартинис, оценивается в $5000. Самая современная модель 2000Q вышеупомянутой D-Wave обходится клиентам в $15 млн. Это дает некоторые ориентиры потенциальной стоимости будущих квантовых компьютеров — тысячи долларов за ключевые компоненты и десятки миллионов — за готовое решение. Дорого? Однако исследователи считают, что квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные суперкомпьютерам, построенным по классической схеме. А лучшая высокопроизводительная система 2016 года стоила $270 млн. Напрямую затраты на эти аппараты сравнить пока нельзя – мы же не знаем истинной производительности квантовых компьютеров, но цены не выглядят исключительными.

Самое очевидное применение квантового компьютера — применение для расчета свойств новых молекул и материалов. В частности группа Лукина применяет квантовый компьютер для расчета процессов термализации (охлаждения), при которых обнаруживаются неожиданно стабильные состояния вещества. Сейчас идет работа над тем, чтобы реализовать их и проверить расчеты — ведь их нелегко воспроизвести на обычных компьютерах. Группа Мартиниса на устройстве Google провела расчет колебаний в атомной решетке графена при сверхвысоких магнитных полях. Они хорошо совпали с экспериментальными.

Смысл таких расчетов в том, чтобы экономить на дорогостоящих натурных экспериментах и заранее просчитывать условия, при которых можно создать новое вещество. Новые материалы  могут кардинально перевернуть привычные рынки. Например, создание сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, изменят энергетический рынок за счет изменения логистики передачи энергии. Новые вещества позволят создавать прочные сплавы, которые будут значительно легче существующих, некоторые — легче воды, а расчет сложных молекул позволит создать новые лекарства.

И Мартинис, и Лукин, давая комментарии независимо друг от друга, сошлись на том, что системы на базе 20 кубитов способны показать производительность на уровне существующих суперкомпьютеров, симулирование результатов 30-кубитовых систем — задача для лучших суперкомпьютеров мира, а 50-кубитовые системы, скорее всего, превзойдут их.

При этом Лукин отмечает, что поиск идеального кубита не закончен. А Мартинис не видит принципиальных ограничений на создание в будущем квантовых процессоров в смартфонах, хотя больше верит в предоставление мощностей квантовых компьютеров в качестве облачного сервиса. Таким образом, они могут заменить существующие полупроводниковые элементы.

Российский путь

За пределами вопросов стоимости и цене квантовых компьютеров — участие России в процессе. Заместитель председателя правления «Газпромбанка» Дмитрий Зауэрс отметил, что у России есть условия для того, чтобы выйти на передовую квантовых технологий. В качестве примера он привел создание квантовой линии для «Газпромбанка» Российским квантовым центром.

На научной части конференции ICQT Михаил Лукин объявил о создании компьютера с 51 кубитом, но пока статья находится на рецензировании, он не имеет права комментировать подробности. На вопрос о российском вкладе Сергей Белоусов отметил, что у Михаила Лукина российское гражданство (есть и американское. — Forbes), а в его команде работают российские физики. Что касается создания системы аналогичного уровня в России, то Белоусов настроен оптимистично: «Эксперименты Михаила столь элегантны, что ожидаю попытки их повторения другими командами исследователей после публикации подробностей, в том числе и в России»

На ICQT Сергей Горьков, глава ВЭБ, объявил о переговорах с РКЦ, университетом МИСИС и другими игроками рынка квантовых технологий о возможности создания объединения для совместного развития этого направления.

Вложения в рынок квантовых технологий на уровне государства — это международная практика. Европейский союз планирует вложить $1 млрд в развитие квантовых технологий. Один из авторов этой программы Томмазо Каларко на ICQT пояснил, что первоначально планируется создать системы на базе 10 и 20 кубитов, чтобы провести необходимые исследовательские работы. А затем вкладываться в более серьезные проекты.

На вопрос Forbes о возможных этических проблемах Мартинис отметил, что не видит глобальных проблем от внедрения квантовых компьютеров. Наоборот, создание новых химических веществ позволит решить существующие проблемы. Бедные страны, которые не могут позволить себе создание квантового компьютера, потенциально могут иметь доступ к его мощностям в качестве облачного сервиса и таким образом получить шанс на использование возможностей квантовых технологий. Что касается возможного военного применения квантовых компьютеров и соответственно закрытии информации по этой тематике, он пока видит сложную задачу в разработке эффективных алгоритмов, для решения которой ученым необходим диалог.

На потенциальную проблему указал Игорь Лотаков, управляющий партнер PwC в России. Квантовые компьютеры потенциально способны раскодировать всю информацию, зашифрованную на данный момент, поэтому он считает, что производителям стоит готовиться к этому заранее — уже сейчас подумать над решениями в области кибербезопасности и киберкоммуникации. По мнению Максима Еременко, старшего управляющего директора, начальника управления инструментов и моделей блока «Риски», ПАО «Сбербанк» возможностях и риски квантовых технологий должно оценивать государство и принимать решения, которые пойдут на пользу развитию отрасли.

На подходе

Создание квантовых компьютеров, которые смогут выполнять большинство или все операции современных вычислительных систем, — дело ближайшего будущего. Как говорит Лукин: «Мы уже входим в область, где квантовые компьютеры не могут быть симулированы обычными компьютерами». На вопрос о необходимых условиях для появления квантовых компьютерах Зауэрс ответил: «Люди», а Белоусов: «Деньги». 

Но это не прямая заасфальтированная дорога, а сложный процесс перехода по горной тропе. Говорить о неизбежном приходе квантовых вычислений в нашу жизнь еще рано. Несмотря на оптимизм исследователей, возможно, природа подкинет еще сюрпризы и поставит непреодолимые преграды перед Мартинисом, Лукиным и их коллегами-учеными.

Зато при благоприятном исходе из исследовательского направления квантовые компьютеры превратятся в инструмент, которые изменит все области нашей жизни не меньше, чем обычные компьютеры за последние 60 лет. Мартинис наотрез отказывался дать прогноз, когда они могут стать рыночным товаром, но в статье для журнала Nature прогнозируется их коммерциализация в течении 5 лет.