«Квантовый компьютер в сравнении с классическим — это атомная бомба в сравнении с калькулятором»

Почему о квантовых компьютерах говорят уже давно, а купить их мы до сих пор не можем? Как они будут взаимодействовать со слабым и сильным искусственным интеллектом и экологичны ли они? Что такое квантовое превосходство и чем оно похоже на магию Доктора Стрэнджа из «Мстителей»? Рассказывает Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, член научного совета Российского квантового центра, PhD.

— Вас назвали одним из главных конкурентов Илона Маска. Почему? Вы с ним работаете над разными научными задачами.

— Меня назвали не конкурентом, а одним из российских Илонов Масков. Я удивлен, что так много людей поняли это буквально. Конечно, это лишь аналогия, но, как мне кажется, она имеет право на жизнь. То, что сейчас происходит в квантовых технологиях, часто сравнивают с космической и ядерной гонкой, потому что в «квантах» заключен большой стратегический потенциал, в эту сферу вовлечено много людей; государства и частные компании заинтересованы в развитии технологий.

Но если говорить про общее между мной и Маском… Недавно я смотрел его старое интервью, там он сказал: «Я просто хочу сделать космические полеты доступными». Так вот, я и моя команда работаем над тем, чтобы квантовые технологии вышли за рамки академической области и превратились в целое поколение новых приборов и устройств, которое мы сможем использовать в ближайшее время. В этом смысле для меня работа Илона Маска — один из примеров того, как сложная технология может становиться всё более и более доступной, меняя тем самым наш мир.

— В какое ближайшее время? Россия ведь отстает в сфере квантовых технологий. В общем, когда нам, простым пользователям, ждать квантовые ноутбуки?

— Макбук и айфон, которые мы используем, в каком-то смысле являются квантовыми устройствами. Внутри них есть транзисторы, интегральные схемы, матрицы и другие механизмы, которые построены на принципах квантовой физики. Если бы в начале XX века квантовая физика не появилась, то таких приборов и технологий не было.

Что радикальным образом отличает современные квантовые технологии от тех, что работают в макбуке и айфоне? Различие состоит в том, что сейчас мы научились управлять квантовыми системами на уровне их отдельных компонентов, таких как атомы, электроны, фотоны и другие.

То есть внутри транзистора много электронов, а мы научились управлять каждым из них. Внутри лазера много фотонов, а мы научились управлять ими по отдельности.

Квантовые технологии могут перевернуть сразу несколько сфер. Одно из направлений — квантовые компьютеры. Помимо этого, например, есть квантовые коммуникации — это способ передачи информации при помощи одиночных квантовых объектов — частиц света (фотонов), и он гарантирует конфиденциальность переданной информации.

Приборы для квантовых коммуникаций уже существуют. Более того, Россия — одна из немногих стран, в которой уже три-четыре компании разрабатывают и внедряют такие устройства. То есть, например, в этой сфере мы можем претендовать на лидирующие позиции. Еще есть сфера квантовой метрологии и сенсорики.

— Получается, мы отстаем именно в работе над квантовым компьютером?

— Я бы сказал, что это не мы сильно замедлились, а за границей значительно ускорились. Связано это с тем, что в какой-то момент квантовыми вычислениями стали интересоваться не только государства и университеты, но и частные компании.

Мы знаем, что Google, IBM, Microsoft, Alibaba, Intel — все крупные IT-компании инвестируют в кванты, понимая, что это следующий шаг развития вычислительных технологий.

За счет ресурсов частного капитала им удается двигаться вперед очень быстро. Нам, чтобы их нагнать, нужно сфокусировать усилия в этом направлении.

— Однако в Nature писали, что квантовые компьютеры могли появиться чуть ли не в 2017 году. Сейчас 2020-й, их всё еще нет. Почему и чего, на ваш взгляд, человечеству не хватает: математических знаний, технологий, материалов?

— Почему сложно построить большой квантовый компьютер? С одной стороны, нам нужно очень много квантовых объектов, с другой, каждый из них мы должны индивидуально контролировать. И эти требования в реальных физических системах вступают в противоречие.

Есть системы, которые хорошо масштабируются, в них можно создать много кубитов, но контроль над каждым кубитом будет очень слабым. А есть системы, где каждая отдельная частица поддается нашему максимальному контролю, но создать много таких квантовых объектов проблематично.

Так что одна из задач — найти систему, которая и хорошо масштабируется, и хорошо управляется. Это очень нетривиальная задача на стыке физики и инженерии.

Сейчас есть четыре главных платформы, на которых мы можем эту задачу реализовать: использовать либо атомы, либо ионы, либо сверхпроводники, либо фотоны. Все эти направления находятся примерно на одном уровне развития по количеству кубитов и степени контроля над ними. И если следить за новостями, видно: то ионы выстрелят, то фотоны, то сверхпроводники, то атомы — и так уже двадцать лет. Так что пока не очень понятно, что из них лучше. Есть еще и новые платформы, например, поляритоника и магноника. В них также возможен прорыв. Может, будет несколько платформ для разных типов квантовых компьютеров.

Другой сложный момент — если мы создаем достаточно большую систему, такую, как квантовый компьютер, на нее сильно воздействуют шумы. Как это представить? Условно, чем больше система, тем больше она соприкасается с окружением. А это окружение может влиять на квантовое состояние деструктивным образом.

Представьте, что в системе неоднородная температура, она низкая, но есть отклонения. Вот эти отклонения могут изменить состояние кубита и внести ошибку в процесс вычислений. Ошибки накапливаются, а эффективных квантовых кодов коррекции ошибок пока нет.

— Правильно ли я понимаю, что Доктор Стрэндж, когда сидел с камнем времени в «Мстителях», использовал квантовые технологии? Он за короткое время просканировал огромное количество вариантов будущего и отыскал наиболее выгодный.

— Вполне возможно. То, что он сделал, похоже на квантовое превосходство. Квантовое превосходство — это когда простой квантовый компьютер решает задачу быстро, а самый мощный классический суперкомпьютер — медленно. Как вы понимаете, возникает много сопутствующих вопросов: что значит медленно и быстро, какую задачу? Вокруг этого строится очень серьезная дискуссия, но в целом на интуитивном уровне каждому человеку это понятно. Мы берем вычислительную задачу, запускаем ее на квантовом компьютере, который выполняет ее, скажем, за минуту, а классический тратит на нее год или десять тысяч лет.

Квантовое превосходство впервые продемонстрировала компания Google. Она взяла вполне конкретную задачу — «моделирование случайных квантовых цепочек» и запустила ее на квантовом компьютере и на классическом суперкомпьютере.

Идея этой задачи какая? Мы определенным образом выставляем с кубитами однокубитные операции — которые воздействуют только на один кубит, и двухкубитные — которые воздействуют на два кубита. Кубитов достаточно много, около 50, и операций с ними выполняется тоже достаточно много. В случае эксперимента Google суммарно это полторы тысячи операций. А раз операций так много, то будет сложно предсказать распределение результатов на выходе.

— Если мы будем совершенствовать суперкомпьютеры, давать им похожие задачи, чтобы они учились, то время будет сокращаться?

— Да, если будем по-другому использовать ресурсы для того, чтобы моделировать квантовые системы. Специалисты IBM заявили, что можно сократить разрыв до нескольких дней, Alibaba — что до двадцати дней. Хотя всё равно разница существенная — сотни секунд и дни.

Пока мы говорим про абстрактное превосходство, оно было показано только на одной задаче, но следующий шаг в мире квантовых вычислений — перейти к демонстрации квантового превосходства в полезных и востребованных задачах. По словам Скотта Ааронсона, сейчас мы наблюдаем битву квантового Давида и классического Голиафа. Масштаб их сил именно такой.

И квантовый Давид побеждает классического Голиафа: квантовый компьютер, в котором всего 53 кубита, решает задачу лучше, чем самый современный в мире суперкомпьютер.

То есть какой-то класс задач, который не может быть быстро решен на суперкомпьютерах, уже подвластен квантовым компьютерам маленького масштаба.

— Если бы квантовый компьютер уже был создан и сейчас его натренировали на изобретение лекарств, то пандемия коронавируса переживалась бы легче?

— Мне кажется, что квантовые технологии могли бы ускорить этот процесс [процесс создания или обнаружения среди существующих препарата, эффективного против COVID-19. — Прим. ред.]. Я слышал, что потенциальные лекарства искали с помощью ИИ. Квантовый компьютер, несомненно, в этом помог бы.

— В первую очередь эти компьютеры нужны тем, кто занимается большими данными, верно?

— Большими данными, а также сложными вычислительными задачами, моделированием предсказательной динамики сложных систем, в которых большую роль играют квантовые эффекты.

Сложные материалы, топливо, лекарства, биологически активные элементы. Кроме того, оптимизационные задачи и задачи, связанные с обработкой данных и машинным обучением — это основные ниши, где квантовый компьютер будет полезен.

— Получается, сейчас инженеры и физики учатся на компьютерах компании D-Wave…

— И IBM, Riggetti, Xanadu, скоро еще несколько компаний даст доступ к квантовым компьютерам.

— Мне просто очень интересно, что это за компания такая. На одной презентации видела, что у них есть чипы с 2048 кубитами, и я думаю: «Что?! Сколько?» В Google комп с 53 кубитами, а там 2048.

— Помните, когда вы спрашивали, почему квантовый компьютер сложно построить, а я сказал, что есть проблемы масштабируемости и контроля? 53 кубита Google лучше контролируются, чем 2048 кубитов D-Wave. Но ключевая идея в том, что D-Wave, IBM и Google развивают альтернативные модели квантовых вычислений.

Квантовый компьютер можно строить по-разному. Например, можно строить как аналог традиционного компьютера. Где-то глубоко внутри наших с вами макбуков есть биты, с битами выполняются логические операции. В квантовом компьютере биты заменяем на кубиты, классические операции — на квантовые, в конце проводим измерения, по результату измерений получаем результат работы алгоритма. Это с большим округлением можно назвать gate-based — гейтовыми или цифровыми/вентрильными квантовыми компьютерами (научное сообщество наплодило огромное количество терминов, кто-то называет их digital, кто-то — gate-based).

Компания D-Wave использует другую идею — квантовую адиабатическую теорему — специфическую идею в квантовой механике. Согласно этой парадигме, если мы поместим систему в основное состояние (состояние, в котором она обладает наименьшей энергией) и будем достаточно медленно менять конфигурацию системы, то она будет продолжать оставаться в основном состоянии.

То есть мы определенным образом расположим кубиты, а потом будем очень медленно кодировать в эти кубиты задачу, в решении которой мы заинтересованы.

Например, нам нужно узнать, какой путь коммивояжера из всех самый короткий и удобный. Конфигурация системы с основном состоянии даст нам правильный ответ. И в этой системе индивидуальный контроль над каждым кубитом не так нужен. Нужна контролируемая коллективная адиабатическая динамика.

— Но этот путь, получается, вы не особо принимаете?

— Нет, он мне очень нравится. И этот путь тоже сложный. И им будут заниматься. Согласно плану развития квантовых вычислений в России, помимо цифровых квантовых компьютеров будут изучаться и адиабатические системы, по мере возможностей.

— Я просто своим недалеким умом представляла 2048 кубитов как освоение целины — экстенсивный путь развития: засеваем огромную территорию, надеясь, что что-то вырастет. А можно использовать меньше кубитов, но делать их нужно более мощными, то есть переходить к интенсивному пути.

— Да, но компания D-Wave пошла дальше и сказала: «А что с этой целиной мы можем полезного сделать прямо сейчас?» Оказывается, эта «целина» может решать сложные оптимизационные задачи. Например, продавец, которому нужно посетить n городов, находящихся на разном удалении друг от друга, — классическая задача оптимизации, на которую ложится множество задач реального мира: логистических, финансовых. Если компьютер решит ее, то и с похожими тоже справится.

Например, у вас есть финансовые активы, и вам нужно составить оптимальный портфель, в котором минимизированы риски и оптимизирована доходность, — это сложная оптимизационная задача. И такие задачи можно решать на адиабатических квантовых компьютерах.

— Сколько энергии потребуется для работы хотя бы одного универсального квантового компьютера? Есть ли такие вычисления?

— По всей видимости, есть, но я не очень хорошо с ними знаком. Впрочем, я часто слышу, что квантовый компьютер — это зеленая энергетика, потому что суперкомпьютер требует гораздо больше тепла, чем в будущем потребует квантовый компьютер. Полагаю, борцы за экологию будут выступать за квантовые технологии.

— Как будет выглядеть взаимосвязь квантового компьютера и сильного ИИ? Мы через слабый ИИ и квантовый компьютер сумеем разработать сильный ИИ, или мы сначала разработаем сильный ИИ, который поможет нам создать универсальный квантовый компьютер?

— Я много об этом думал, но какой-то разумной классификации я для себя не нашел. Я не знаю, в какой мере теория классического сильного-слабого ИИ предусматривает использование квантовой физики. Казалось бы, если это суперинтеллект, он должен знать и классическую физику, и квантовую, решать все задачи оптимальным образом. Поэтому я считаю, что это очень продуктивная сфера, в которой будет движение, но пока в ней больше вопросов, чем ответов.

— Мне видится, что люди, которые занимаются сильным ИИ, сталкиваются с похожими вопросами, что и вы сейчас. Плюс им не хватит энергии, чтобы сильный ИИ мог работать. И тут вы говорите, что для работы квантового компьютера энергии потребуется меньше, и я думаю: «Да идеальная же пара!»

— Вы абсолютно правы. С этой точки зрения машинное обучение и кванты очень хорошо сочетаются. У нас в Российском квантовом центре есть внутренняя инициативная программа «Квантовое машинное обучение» — там рассматривается симбиоз машинного обучения, ИИ и квантовой физики. И случаются самые неожиданные открытия.

Как работают нейронные сети? Если пытаться объяснить наивно, то они улучшают свое поведение за счет постоянной работы. Получая большее количество данных, они начинают лучше решать задачу. А в физике есть такая вещь, которая называется анзацы.

Анзац — некоторая попытка угадать решение физической задачи, которая может быть улучшена по мере решения класса других физических задач. То есть мы не знаем ответа, но мы его в каком-то виде угадываем. Оставляем некоторые свободные параметры, которые можно подкрутить. И подкручиваем. Кажется, что идея нейронных сетей и анзацев схожа. И недавно была большая научная программа, цель которой — установить между нейросетями и анзацами взаимосоответствие.

И это первое направление, над которым работают в «Квантовом машинном обучении» — мы пытаемся использовать нейронные сети для решения сложных задач квантовой физики.

Второе направление — использование NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum — технология для минимизации ошибок, шума) для ускорения алгоритмов машинного обучения. Некоторые алгоритмы уже сейчас можно пытаться интегрировать в квантовые компьютеры. Например, компания D-Wave написала программу, которая позволяет больцманским машинам интегрироваться в их квантовый компьютер.

И здесь большая цель — ускорять сложные алгоритмы машинного обучения, связанные с решением фундаментальных и сложных задач. И ускорять за счет всё более и более прогрессивных квантовых процессоров.

Это бум-область: в последнее время появились сотни публикаций на тему того, что мы называем в широком смысле квантовым обучением. Я уже не говорю о том, что текущие эксперименты в квантовой физике часто ускоряют за счет машинного обучения.

— Я это представляю себе, как однотонный пазл, где кто-то собрал один уголок и такой: «Дааа, я собрал уголок! Картинка стала больше», а другие собирают несколько пазликов в центре. Но мы все работаем над одним.

— Да, а она на самом деле многомерна, и кто-то не приступил к каким-то граням. Квантовое машинное обучение — это пик и бум этого направления, и я очень рад, что мы его запустили не полгода назад, а два года назад.

Был такой период, когда какие-то наши результаты шли в потоке результатов мирового научного сообщества. Мы не начали копировать, когда «там» это уже стало мейнстримом, а мы вошли в эту историю вместе с мировым научным сообществом, и это такой замечательный пример.

В Российском квантовом центре есть три рабочие группы, одной управляю я, двумя другими — Александр Львовский и Алексей Рубцов. И мы независимо пришли к этой идее и поняли, что мы думаем примерно в одном направлении, и начали реализовывать наши идеи.

— А где больше сходства, в какой из пар? Обычный компьютер и квантовый компьютер — тамагочи и плейстейшн, или обычный компьютер и квантовый компьютер — рогатка и атомная бомба?

— В определенном классе задач мы можем назвать квантовый компьютер по сравнению с классическим атомной бомбой по сравнению с калькулятором. По значимости демонстрация квантового превосходства может быть сравнима с запуском человека в космос.

Прежде всего она подтвердила гипотезу, что квантовый компьютер может делать что-то намного лучше классического. И хотя технология придает ускорение пока еще очень специфическому классу задач, специалисты уже работают в этой области над созданием готовых коммерческих решений.

Мы не ожидаем, что кванты полностью заменят классические компьютеры. Но, возможно, в будущем в каждом доме будет доступ к квантовому процессору, который при необходимости сможет промоделировать молекулу или обработать изображение, графику намного быстрее классического. То есть нужно будет не в макбук квантовые процессоры вставлять, а подключаться к облачному доступу.

И в этом случае вам не нужен дорогой квантовый компьютер дома. Уже сейчас есть готовые системы, через облако которых мы можем запускать необходимые задачи.

Мир будущего — это мир разных процессоров для разных типов задач. Даже квантовые процессоры, вероятнее всего, будут разных типов.

Хотя прогнозировать развитие технологий крайне сложно. В интернете есть подборка ошибочных предсказаний в отношении классических компьютеров. Например, что миру будет достаточно пяти компьютеров. Или что нет причин, по которой компьютер должен быть персональным.

Произошла революция, масштабы которой было крайне сложно предсказать, находясь в самой первой фазе развития. Сегодня квантовые компьютеры переживают эту фазу: они только-только создаются, но уже начинают менять наш мир и индустрии. Масштаб этих изменений будет понятен со временем, но уже очевидно, что он колоссален.