Кубит против бита: на что способен новый квантовый компьютер

В обозримом будущем квантовые компьютеры персональными не станут. Об этом в эксклюзивном интервью «Известиям» заявил руководитель направления квантовых вычислений научно-исследовательской лаборатории IBM Research в Цюрихе доктор Вальтер Рис. По его словам, они будут использоваться как суперкомпьютеры, доступ к которым осуществляется через «облако». Однако их развитие в ближайшие пять лет значительно ускорится. Над созданием квантового компьютера работают во многих лабораториях мира. Считается, что его появление будет настоящим прорывом. Недавно компания IBM презентовала прототип коммерческого квантового компьютера IBM Q System One.

— Российские специалисты разошлись во мнениях, что же именно находится за стеклом трехметрового куба — именно так выглядит ваш прототип. Одни говорят, что невозможно создать криостат для сверхпроводящих кубитов, способный уместиться в относительно небольшой емкости — обычно он занимает площадь целой комнаты. Другие считают, что внутри все-таки размещен криостат вместе с необходимыми для работы квантового процессора обычными ПК. Так что же находится внутри?

— IBM Q System One стал первой в мире коммерческой квантовой интегральной системой на 20 сверхпроводящих кубитах, предназначенной для установки в центрах обработки данных. Слово «интегральный» как раз и означает, что конструкция куба вместила в себя все необходимые элементы, включая криостат и классическую электронику, которая в том числе отвечает за удаленный доступ пользователей к системе и запуск программ через «облако». При этом все элементы системы надежно защищены от взаимных и внешних помех.

— Это персональный квантовый компьютер?

— Нет, этот компьютер не персональный. Но он в отличие от прежних лабораторных испытательных образцов предназначен для практического применения коммерческими заказчиками, входящими в сеть IBM Q Network. Например, нефтекомпания ExxonMobil планирует использовать квантовые компьютеры для расчета механизмов катализа и межмолекулярного взаимодействия, с которыми не справятся обычные классические компьютеры. Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) собирается задействовать квантовые алгоритмы машинного обучения для классификации явлений с частицами при опытах в Большом адронном коллайдере. То есть потенциальные области применения квантовых компьютеров связаны с моделированием и оптимизацией процессов.

— Есть такой термин «квантовое превосходство». По сути, это выход в создании компьютеров на другой уровень, когда все задачи решаются на несколько порядков лучше. В IBM же, как говорят сотрудники этой компании, стремятся не к квантовому превосходству, а к квантовому преимуществу. В чем оно заключается?

— Квантовое преимущество в нашем понимании — это когда важная задача может быть эффективно решена именно с использованием квантовых компьютеров. Недавно мои коллеги из США вместе с другими учеными экспериментально доказали факт квантового преимущества на примере задач линейной алгебры. Они показали, что при увеличении сложности входных условий не требовалось увеличивать вычислительные способности используемой квантовой цепи, в отличие от обычных компьютеров. Поэтому мы пока стремимся к квантовому преимуществу. А квантовое превосходство — это отдаленная перспектива.

— Каковы ближайшие планы IBM по развитию квантовых компьютеров, что они смогут через три-пять-десять лет?

— Надо быть готовыми к наступлению эры квантовых вычислений, начинать использовать те преимущества, которыми уже обладают современные квантовые компьютеры. Их развитие в следующие пять лет будет ускоряться, в частности, благодаря использованию приближенных вычислений. Так называемая универсальность будет достигнута увеличением количества кубитов до нескольких сотен или более, а вот на решение проблемы отказоустойчивости потребуется еще время.

— То, что сейчас называют квантовым компьютером, по сути, — квантовый процессор. Он подсоединяется как приставка к обычному ПК. Будет ли когда-нибудь квантовый компьютер абсолютно самостоятельным?

— Действительно, квантовые компьютеры в настоящее время работают по подобию графического ускорителя в персональном компьютере, только доступ к ним предоставляется в удаленном режиме, через «облако». Мы считаем, что такой комбинированный подход к организации квантовых вычислений сохранится и в обозримом будущем.

— Каким образом будут писать программы для этого компьютера? Будет ли создан специальный язык программирования?

— IBM создала открытый инструментарий Qiskit, который позволяет работать над построением реальных приложений уже сейчас, не дожидаясь появления универсального отказоустойчивого квантового компьютера. Программы в этой среде пишутся на языке ассемблера с открытым кодом OpenQASM. Еще в 2016 году IBM открыла бесплатный «облачный» доступ к реальным квантовым компьютерам. Им уже воспользовались свыше 100 тыс. исследователей, программистов и студентов со всего мира. На этой тестовой платформе IBM Q Experience было проведено свыше 7 млн запусков программ, а на базе экспериментов опубликовано порядка 130 научных статей.

— Сейчас в IBM продают доступ к квантовому компьютеру. Это похоже на использование телескопов и ускорителей. Будет ли квантовый компьютер когда-нибудь персональным?

— Вряд ли квантовые компьютеры скоро появятся в наших домах, и я не считаю это целесообразным. Суперкомпьютеры, например, используют давно, но при этом никому не приходит в голову устанавливать их у себя дома.

— В IBM разрабатываются только сверхпроводящие кубиты? Или ученые работают над кубитами, которые основаны на других физических принципах?

— Мы используем сверхпроводящие кубиты, изготовленные из металлических сверхпроводников на кремниевом чипе. Это позволяет задействовать стандартные процессы проектирования и производства кремниевых микросхем. Мы считаем, что основой полноценного универсального квантового компьютера станут именно сверхпроводящие кубиты.