Будущее с квантовыми компьютерами уже почти наступило – но готовы ли мы к нему?

При приближении ко времени нового, полезного оборудования, человеческий фактор в вычислениях становится критически важным

Будущее вычислений – огромная металлическая цистерна? Я буду разочарован, если окажется, что внутри неё просто сидит парень с ноутбуком и гуглит.

Йорктаун-хайтс, Нью-Йорк. Я нахожусь в комнате, где расположен один из вариантов будущего вычислений. Сам компьютер не производит особого впечатления, и выглядит, как металлическая цистерна, висящая на потолке. Впечатление производит шум – периодический металлический стук, преобладающий в комнате. Это звук работы системы охлаждения, доводящей оборудование до температуры, близкой к абсолютному нулю. И охлаждается там не обычный чип – это подход IBM к квантовым вычислениям.

В 2016-м IBM сделала нашумевшее объявление, пригласив общественность опробовать раннюю версию своего квантового компьютера, содержавшего всего пять кубитов – это слишком мало для любых серьёзных вычислений, но достаточно, чтобы люди могли приобрести реальный опыт программирования при помощи новой технологии. Технология быстро развивалась, и IBM установила больше цистерн в своей комнате с квантовым компьютером и добавляла новые процессы по готовности. Компания уже расширила проект до 20 кубитов, и оптимистично объявила, что готовит версию с 50-ю кубитами.

Как и многие из ранних компьютеров компании, новый квантовый компьютер от IBM заключён в бежевый корпус

Когда мы недавно побывали в исследовательском центре им. Томаса Уотсона, исследователи компании были более осторожны в заявлениях, подчёркивая, что они не делают никаких обещаний, и что 50-кубитный компьютер – просто ещё одна веха по дороге к будущему квантовых компьютеров. Но они убедили нас, что IBM гарантировано участие в этом будущем, в частности из-за особенностей экосистемы, которую компания создаёт вокруг своих первых попыток.

Строительные блоки чипов

Для создания кубитов IBM использует сверхпроводящие провода, соединённые с резонатором, закреплённые на кремниевой подложке. Провода и подложка позволяют компании использовать весь опыт, полученный при создании электронных схем, но в данном случае провод представляет собой смесь ниобия с алюминием, что позволяет ему быть сверхпроводящим при чрезвычайно малых температурах. Джерри Чау, показавший нам комнату для проверок оборудования, говорит, что компания всё ещё экспериментирует с деталями в области улучшения кубитов, и проверяет различные формулы и геометрию.

Резонатор чувствителен к микроволновой частоте, что позволяет назначать или считывать значение кубита при помощи микроволновых импульсов. В каждом чипе есть оптические элементы, принимающие на вход микроволны и направляющие их к отдельным кубитам. Сами по себе микроволны ничем не выделяются, поэтому ввод данных организуется при помощи уже существующих, готовых компонентов. Единственная сложность – передать данные на вход чипу, глубоко погружённому в цистерну с жидким гелием. Оборудование, предназначенное для этого, должно не только выдерживать чрезвычайно низкие температуры, но и выжить при нагреве обратно до комнатных. Хотя, будучи единожды охлаждённым, оборудование способно работать бесконечно, не требуя замены.

Часть системы охлаждения, содержащейся в цистернах. Жидкий гелий позволяет понизить температуры почти до абсолютного нуля

Квантовые вычисления основаны на запутанности кубитов. Чау рассказал нам, что для запутывания двух любых из кубитов можно полагаться на тот факт, что у них немного отличаются резонансные частоты. Если обращаться к каждому члену пары кубитов, используя резонансную частоту его партнёра, то их возможно запутать. Затем наборы пар можно запутывать в системы более высокого порядка. Когерентность кубитов сохраняется на 100 мкс, но запутать пару кубитов можно за 10 нс. Чау сказал, что сейчас на запутывание чипа уходит несколько микросекунд, что даёт достаточно времени для подготовки всей системы и выполнения расчётов.

Так если всё так просто, почему у нас до сих пор нет 50-кубитного чипа?

Внешний пульт управления охлаждением – но не квантовым компьютером

Проблема в том, что кубиты чрезвычайно чувствительны ко внешним шумам. Это может быть шум снаружи устройства (хотя, металлическая цистерна помогает оградить чип). Это может быть внутренний шум – система охлаждения, микроволновые кабели, сами компоненты чипа – всё это может взаимодействовать с кубитами. А любое взаимодействие катастрофично для вычислений.

Это значит, что любое изменение архитектуры чипа, даже добавление единственного кубита, потенциально может поменять частоту и тип ошибок при выполнении вычислений. IBM занимается тщательным моделированием, пытаясь ограничить такие проблемы до изготовления чипа, но, в определённом смысле, это эмпирический и пошаговый процесс: надо задействовать чип и посмотреть, что будет. «Добавление новых кубитов позволит нам определять источники шума и перекрёстных помех», — сказал Чау.

Об этом же говорит и Сара Шелдон, одна из учёных, работающих над микроволновыми системами, управляющими и считывающими данные с кубитов. «У нас есть хорошие инструменты для описания отдельных компонентов, но нет подходящих методов для описания устройств целиком, — сказала Шелдон. – Увеличивая систему, мы сталкиваемся с ситуациями, в которых управление одним кубитом может привести к появлению ошибок где-то ещё». Позже она добавила: «Мы приближаемся к пределу, после которого классически эти устройства уже не получится симулировать – и как тогда сказать, правильно ли они работают?»

И всё ради этого? Один из пробных чипов квантового компьютера

Превосходство или объём?

Идея квантового компьютера состоит в том, что он сможет выполнять вычисления определённого рода кардинально быстрее обычных компьютеров. Задействовав достаточное количество кубитов, квантовый компьютер сможет справляться с задачами, на решение которых у традиционного компьютера ушло бы больше времени, чем существует Вселенная. Порог, перейдя который, квантовый компьютер сможет сделать это, окрестили «квантовым превосходством». Google, сделав анонс своих разработок в области квантовых вычислений в марте 2018, упомянул именно эту концепцию. Естественно, Google сформулировал свою концепцию квантового превосходства в терминах допустимого количества ошибок (такого количества, которое от традиционного компьютера мы бы не потерпели). IBM, наоборот, разрабатывает кубиты с коррекцией ошибок. К сожалению, для этого системе требуется несколько дополнительных кубитов. Боб Сатор, вице-президент IBM по квантовым вычислениям, предположил, что квантовому компьютеру с несколькими сотнями корректирующих ошибки кубитов потребуются для работы тысячи кубитов.

Вспомним, что компания до сих пор работает над системой с 50 кубитов, не занимающихся исправлением ошибок. В ближайшее время квантовое превосходство нам не грозит. Вместо этого IBM предлагает начать мыслить в терминах «квантового объёма», меры, комбинирующей количество кубитов, используемых для вычислений, с количеством ошибок. Квантовый объём позволил бы осмысленно сравнивать компьютеры от IBM и те машины, что описал Google. Однако, эта мера не даст нам понять, насколько полезной окажется каждая из этих машин. И, до определённой степени, ответ на этот вопрос звучит, как: «Это зависит». В некоторых случаях можно спокойно смириться с ошибками. Разложение большого числа на простые множители, к примеру, можно мгновенно проверить на классическом компьютере. В других случаях ошибки сделают результат вычислений ненадёжным, и не будет простого способа его проверить. Поэтому текущие компьютеры получаются немного странными. «Мы можем сделать нечто, чьё поведение классически предсказать нельзя, и чья работа не избавлена от ошибок», — говорит Джей Гамбетта, менеджер группы изучения квантовых вычислений и информации в IBM. «Мы не знаем, что можно будет подсчитать с их помощью».

Он отметил, что многие классические компьютерные алгоритмы сначала были созданы, а уже потом была доказана их эффективность. В случае квантовых компьютеров довольно сложно что-то доказать.

Можно просто обратиться к статистике: запустить алгоритм несколько раз (потенциально устраняя часть или всё преимущество в квантовом ускорении) и взять максимально частый ответ. IBM решает этот вопрос, в частности, через привлечение общественности, приглашая всех попробовать её компьютеры. Если они пригодятся для чего-то в текущем состоянии, есть шансы, что кто-нибудь до этого догадается.

SDK для QC

Как привлечь общественность к работе над машиной, для которой нужна инфраструктура, обеспечивающая охлаждение жидким гелием, и которая не может выполнять уже существующее ПО? Часть ответа на вопрос находится у одной из стен компьютерного зала, в виде более традиционного сервера на основе микропроцессора POWER. Сервер принимает задачи, отправленные людьми, подписавшимися на проверку квантового оборудования. Среди них встречаются как крупные финансовые фирмы, так и студенты, изучающие информатику. Но IBM полагается на другую часть ответа: высокоуровневое SDK, которое она называет QISKit. Как описывает её разработчик систем управления Сара Шелдон, микроволновые импульсы этой системы полагаются на набор генераторов произвольных форм сигнала, миксеры и усилители. Но QISKit позволяет пользователям абстрагироваться от всех этих подробностей. Она позволяет им назначить начальное состояние отдельных кубитов и их связей, а затем ПО – что-то типа квантового компилятора – переводит это в набор световых импульсов, требуемых для того, чтобы система сработала, как надо. «Вы никогда не столкнётесь с микроволновыми импульсами», — обещает Джей Гамбетта. Программирование происходит на языке Python, позволяя людям использовать уже имеющиеся навыки.

Система охлаждения замкнутая, и гелий не приходится заменять

Упрощение доступа – верный путь к поощрению участия сторонних пользователей, но успех предприятия поставил перед IBM задачу управления сообществом. Гамбетта подчеркнул, что QISKit и сопутствующий компилятор были созданы для того, чтобы получить рабочую систему. Он обсудил вопрос того, как сделать систему более модульной, чтобы можно было включать в неё вклады различных пользователей – по его мнению, у команды IBM уже скопилось больше вкладов в код, чем она может обработать. Ещё он упомянул, что хотел бы начать собирать что-то вроде библиотек кода, отмечая, что такие вещи, как реализация быстрого преобразования Фурье продемонстрировали свою пользу в решении огромного количества задач. И хотя IBM поощряет подобные попытки, Гамбетта также надеется, что у людей естественным образом проснётся интерес к этой теме. С момента рождения квантовые вычисления по большей части относились к области физики. Специалисты по информатике не видели причин заниматься этим, поскольку оборудование просто не могло обеспечить им никакие расчёты. Ситуация начинает меняться, и вклад специалистов по информатике может оказаться критичным для развития этой области, поскольку, как отмечает Гамбетта, «они думают о задачах по-другому, не так, как мы, физики». Также он оптимистично относится к использованию оборудования IBM на курсах по информатике. Когда квантовые вычисления станут обычной частью обучения людей, им будет легче относиться к ним, как к инструменту, полезному для определённого набора задач. В этот момент квантовый компьютер станет чем-то вроде GPU или другого специализированного оборудования, в том смысле, что людям просто нужно будет решать, стоит ли возможное ускорение усилий по написанию специального кода.
В целом после визита у меня сложилось впечатление, что квантовые вычисления подошли к точке перехода. Частично экскурсия нужна была для того, чтобы посмотреть на оборудование, но оно может стать наименее интересной частью этой области. С движением прогресса и добавлением новых кубитов процесс будет представлять собой медленное улучшение и эмпирическое тестирование. А оборудование, спрятанное внутри тщательно изолированной цистерны, наполненной жидким гелием – не самое интересное, на что можно посмотреть.

Вся задача теперь сводится к тому, каким образом можно выжать максимум из существующего оборудования, и как его можно использовать, чтобы гарантировать нашу готовность к увеличению возможностей компьютеров. И в этот момент человеческий фактор – набор опыта и управление сообществами – становится всё более важным.