Российские ученые представили разработку, которая, по их словам, должна кардинально изменить жизнь человечества. Созданием квантовых компьютеров, способных работать в миллионы раз быстрее современных операционных систем, занимаются крупнейшие технологические корпорации мира. Но они уже признали победу коллег.
Это казалось фантастикой еще вчера - квантовые компьютеры, способные обогнать все существующие устройства. Они настолько мощные, что могут или открыть человечеству новые горизонты, или обрушить все системы безопасности, потому что смогут взломать их.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомный бомбы», - считает генеральный директор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
В разработку вкладываются крупнейшие корпорации: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Но сегодня в центре внимания - Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра. Его команде удалось создать самый мощный на данный момент квантовый компьютер.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы. Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справится с вычислениями. Делаем маленькие открытия уже, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, мы даже до конца их не понимаем», - рассказывает профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин.
Все - из-за мощности таких устройств. Расчеты, которые на сегодняшнем суперкомпьютере займут тысячи лет, квантовый может сделать в один миг.
Как это работает? В обычных компьютерах информация и вычисления - это биты. Каждый бит - либо ноль, либо единица. Но квантовые компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным компьютерам нужно, грубо говоря, выстроить последовательности, то квантовые вычисления происходят параллельно, в одно мгновение. В компьютере Михаила Лукина таких кубитов - 51.
«Во-первых, он сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это больше чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что Google все время говорил, что сделает 49», - объясняет гендиректор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
Создание самого мощного квантового компьютера пророчили ему. Джон Мартинес - руководитель крупнейшей в мире квантовой лаборатории корпорации Google. И свой 49-кубитный компьютер он планировал закончить только через несколько месяцев.
«22 кубита - это максимум, что мы смогли сделать, мы использовали все свое волшебство и профессионализм», - рассказывает он.
Мартинес и Лукин выступили на одной сцене - в Москве, на Четвертой международной квантовой конференции. Впрочем, соперниками ученые себя не считают.
«Неправильно думать об этом, как о гонке. Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов», - говорит глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google Джон Мартинес.
Но для чего нам понадобятся квантовые компьютеры? Даже сами их создатели не знают наверняка. С их помощью могут быть разработаны совершенно новые материалы, сотни открытий в физике и химии. Квантовые компьютеры - пожалуй, единственное, что может приоткрыть тайну человеческого мозга и искусственного интеллекта.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры», - говорит директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
Один из первых компьютеров был создан в 40-х годах ХХ века и весил 27 тонн. Если сравнить с современными устройствами, то обычный смартфон по мощности - это как 20 000 таких машин. И это за 70 лет прогресса. Но если наступит эра квантовых компьютеров, уже наши потомки будут удивляться, как вообще пользоваться этим антиквариатом.
В IT сложилась предреволюционная ситуация, хотя в курсе происходящего остаются лишь немногие интересующиеся и еще более узкий круг специалистов. А между тем уже в этом году ожидается событие исторического масштаба: квантовые компьютеры, разработка которых продолжается уже более трех десятилетий, впервые смогут проводить вычисления, недоступные для самых мощных суперкомпьютеров традиционной кремниевой архитектуры. Если ожидания оправдаются, скоро мы вступим в эру« квантового превосходства». Но хотя название для этой эпохи давно придумано, что нас в ней ждет, не знает пока никто.
Александр Ершов
Стенд компании Intel на прошедшей в начале года конференции потребительской электроники CES в Лас-Вегасе, как обычно, был заполнен журналистами и техноблогерами. Новинки крупнейшего производителя микрочипов всегда потенциально интересны, хотя в последние годы эти обновления — чуть больше ядер, чуть меньше энергопотребление — все реже привлекают внимание публики. Однако на этот раз технологическому гиганту действительно было чем похвастаться: посетителям показали квантовый процессор Tangle Lake, способный — пусть теоретически и лишь в некоторых задачах — делать то, что пока было по силам лишь лучшим суперкомпьютерам.
Tangle Lake ни размерами, ни формой не слишком выделяется на фоне обычной продукции Intel. Но принципы, на которых он работает, далеки от тех, на которых построена традиционная электроника. Вместо миллиардов транзисторов на новой микросхеме имеется всего 49 элементов. И это не полупроводниковые переключатели тока, а кубиты («квантовые биты»), элементарные ячейки, способные работать с квантовой информацией. В данном случае они представляют собой крохотные сверхпроводящие антенны.
Это не единственный вариант получить кубиты для квантового компьютера, но в данном случае важнее их число. 49 не рекорд: еще до презентации Tangle Lake компания IBM рассказала о работе над квантовым компьютером на 50 кубит, а группа под руководством гарвардского физика Михаила Лукина сделала экспериментальный 51-кубитный вычислитель. Легко заметить, что все эти проекты построены вокруг цифры в полсотни кубит: именно на ней обычно устанавливают планку, после которой стоит ожидать наступления «квантового превосходства».
Преимущество неопределенности
Использовать для расчетов поведения квантовых систем не обычные компьютеры, а другие квантовые системы, которые могли бы играть роль упрощенной модели, предложил еще Ричард Фейнман в 1981 году. Справедливости ради стоит добавить, что идея, видимо, витала в воздухе: почти за год до того ее высказывал советский математик Юрий Манин. В самом деле, трудность, с которой сталкиваются обычные компьютеры при моделировании таких систем, заключается в самой их квантовой природе, в неустранимой неопределенности параметров взаимодействующих частиц.
Наименее универсальная форма квантового компьютера. Его легче всего построить, однако он способен выполнять лишь очень ограниченный круг задач, связанных с оптимизацией. Многие эксперты сомневаются в том, что такое устройство может иметь какие-либо преимущества перед традиционным компьютером.
Применение: задачи на оптимизацию
Универсальность: ограниченная. Вычислительная мощность: не превышает традиционную
Допустим, нам нужно посчитать, как поведет себя атом, если мы направим на него фотон; для этого нам требуется выяснить поляризацию фотона. Единственный способ сделать это — провести измерения, а до этого поляризация останется неопределенной: физики говорят о суперпозиции, наложении возможных значений. Для расчетов все варианты должны быть рассмотрены по отдельности, и в нашем примере это займет вдвое больше времени, чем если бы нужные параметры поляризации были известны. Более того, стоит начать добавлять в систему другие компоненты (несколько атомов, несколько фотонов), и неопределенности придется перемножать, а сложность вычислений вырастет экспоненциально.
Идея квантового компьютера заключалась в том, чтобы обратить недостаток в достоинство: использовать для вычислений саму неопределенность, которая так затрудняет обычные расчеты. Представим, что вам нужно подобрать пароль, у которого неизвестны последние два бита. Тут возможны четыре комбинации: 00, 01, 10 и 11. В классическом случае каждый из них необходимо считать отдельно: подставить его в нужное место и проверить результат. Однако если носителем информации станет квантовый объект — например, два кубита с суперпозицией поляризации, — то все четыре комбинации можно будет проверить одновременно.
Позволит проводить симуляцию сложных квантовых взаимодействий, которые недоступны для моделирования на любых традиционных компьютерах. Считается, что аналоговый квантовый компьютер будет содержать от 50 до 100 кубитов.
Применение: квантовая химия, разработка новых материалов, задачи на оптимизацию, семплирование, квантовая динамика. Универсальность: частичная. Вычислительная мощность: высокая
Если правильная комбинация возможных состояний кубитов существует, можно не сомневаться, что они примут и ее тоже. Главное — организовать взаимодействие между ними так, чтобы мы смогли прочитать и понять получившийся ответ. Мощь квантовых компьютеров заключается именно в экспоненциально растущем числе операций, которые можно сделать за один шаг. Система, состоящая из двух кубитов, позволяет одновременно рассмотреть четыре варианта развития событий, система из четырех — 16. После 50, как мы помним, наступает «квантовое превосходство», а на число комбинаций всех возможных состояний квантового компьютера из 300 кубитов уже не хватит атомов во Вселенной.
Чтобы взять эту планку, нам понадобятся физические носители кубитов. В этой роли могут выступать отдельные атомы, способные находиться в разных энергетических состояниях, или дефекты кристаллической структуры («вакансии»), несущие спин разного направления, или даже относительно крупные объекты — как те сверхпроводниковые антенны, на которых построен Tangle Lake. Какой именно вариант станет стандартом в будущем, пока сказать трудно. Так в свое время было с электрической лампой: физика понятна, но инженерных решений предложен целый букет. Только опыт применения покажет достоинства, недостатки и перспективы разных систем.
Наиболее мощная и наиболее гибкая с точки зрения вычислительных задач версия квантового компьютера. Разработка такого устройства связана с большим количеством технических трудностей. По современным оценкам, в его составе должно иметься не менее 100 000 физических кубитов.
Применение: безопасные вычисления, машинное обучение, криптография, квантовая химия, разработка новых материалов, задачи на оптимизацию, семплирование, квантовая динамика, поиск. Универсальность: полная, с ускорением относительно традиционных компьютеров. Вычислительная мощность: весьма высокая
Минимальный набор
Впрочем, для создания настоящего квантового компьютера понадобится не только комплект кубитов, но и каналы их взаимодействия. В обычном компьютере эту роль выполняют провода и электрические контакты, а в квантовом — эффект запутанности. Запутанные частицы имеют общие квантовые параметры: их можно разделить физически, но их поведение останется связанным, невзирая на расстояние. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему.
Кроме того, новому компьютеру необходимо записывать и считывать информацию. В принципе, это самое простое: для ввода-вывода можно использовать излучение, например лазерное или микроволновое, сфокусированное на отдельных кубитах, позволяющее «писать» и «читать» их состояние. Технически это довольно тонкая работа, которая требует дорогого оборудования, но делать это физики умеют уже давно. Куда труднее выполнить последнее требование: как можно надежнее изолировать кубиты от внешнего мира, чтобы удерживать их запутанность в течение времени, достаточного для вычислений и обмена данными.
Bristlecone Google
Последняя разработка группы Джона Мартиниса в исследовательском подразделении поисковой корпорации показывает пример нового подхода к проблеме коррекции ошибок, столь важной для квантовых вычислений. Кубиты расположены на микрочипе в шахматном порядке — так, что «белые» используются для логических операций, а «черные» — для контроля ошибок.
О том, насколько трудно сохранить квантовую природу большой и сложной системы, может рассказать сам кот Шредингера. Замысел этого мысленного эксперимента широко известен: помещенное в коробку животное оказывается одновременно живо и мертво, поскольку его судьба зависит от неопределенного состояния некоей частицы. До открытия коробки (измерения) параметры частицы находятся в суперпозиции двух состояний, а вместе с ними в суперпозиции находится и кот. Обычно этот эксперимент приводят как пример парадоксальной природы квантового мира, но, если подумать, он говорит еще и о другом.
Одновременно живых и мертвых котов не бывает как раз потому, что кот — это макроскопический объект. Он состоит из многих частиц, которые все время норовят вступить во взаимодействие с внешней средой и «сколлапсировать», потеряв неопределенность и перейдя в одно из возможных состояний. Точно так же и с компьютером: чем больше кубитов, тем он может быть мощнее, но при этом все сильнее напоминает шредингеровского кота, которому трудно сохранять свое квантовое состояние. Именно поэтому кубиты обязательно помещают в вакуумные камеры, для них создают хитрые схемы охлаждения и разрабатывают сложные методы коррекции ошибок.
Tangle Lake Intel
Помимо числа кубитов и использования в основе устройства сверхпроводящих антенн с джозефсоновскими переходами, о Tangle Lake не известно пока ничего конкретного.
Точка перегиба
Теперь, когда примерно ясно, что вообще имеется в виду под квантовым вычислителем и какие у него могут быть преимущества, становится понятно, что квантовые технологии не заменят старый добрый кремний ни завтра, ни в отдаленном будущем. Однако это вовсе не значит, что все разговоры о «квантовом превосходстве» — очередная утка. Да, сегодня известно лишь несколько вычислительных задач, которые квантовые компьютеры способны ускорить. Зато это ускорение не в 10 и не в 100 раз, а намного больше — чем сложнее задача, тем заметнее.
50Q IBM
50-кубитный квантовый компьютер от IBM был представлен в ноябре 2017 года, но подробностей о нем известно тоже немного. В частности, утверждается, что его время когерентности (в течение которого можно проводить вычисления) достигло рекордных для системы 90 микросекунд.
Решение многих таких задач уже требуется на практике. Например, алгоритм Шора позволяет за секунды взламывать самые современные шифры, а алгоритм Лова Гровера принципиально снижает сложность поиска в больших объемах данных. Не следует забывать и про квантовые расчеты, о которых изначально говорили Фейнман и Манин. По статистике, они занимают сегодня до 30−40% вычислительных ресурсов всех суперкомпьютеров. И по-видимому, именно эта область станет первой, которая почувствует «квантовый толчок» от создания новых машин. А это будет означать новые материалы, новые лекарства, новое понимание сверхпроводимости.
19Q Rigetti Computing
Главной особенностью 19-кубитного чипа называют его специализацию на машинном обучении. Система разработана для решения задач кластеризации данных, например при распознавании изображений.
Можно не сомневаться, что таких примеров будет все больше: спектр практических применений любого компьютера становится понятен только после появления подходящих для него алгоритмов, которые только предстоит разработать. Их создание — область настолько молодая, что, по словам одного исследователя, «можно написать на одной доске имена всех, кто ей занимается в мире». Специалистов катастрофически не хватает, особенно сейчас, когда в квантовую гонку включаются IT-гиганты, готовые переманивать сотрудников целыми лабораториями.
2000Q D-Wave
2000Q содержит 2048 кубитов, что формально делает ее самой сложной квантовой системой в мире. Однако архитектура D-Wave существенно отличается от других устройств и подходит для решения только очень узких задач. Многие эксперты сомневаются, что подход D-Wave вообще может иметь какой-то практический выигрыш от использования квантовых эффектов.
Наступление эры «квантового превосходства» нельзя сравнивать с выпуском первого персонального компьютера или мобильной революцией. Простые потребители не почувствуют никаких принципиальных изменений еще как минимум несколько лет. Но если говорить об индустрии, то она уже изменилась. Резкий интерес к постквантовой криптографии, создание такими гигантами, как IBM и Microsoft, платформ для разработки квантовых алгоритмов, миллиардные инвестиции — история квантовой революции уже пишется.
Таймлайн
|
До 1990: развитие квантовой механики, теоретические работы |
|
| 1927 |
Вернер Гейзенберг формулирует принцип неопределенности. |
| 1981 |
В лекции «Моделирование физики на компьютерах» Ричард Фейнман формулирует основы квантовых вычислений. |
| 1985 |
Дэвид Дойч описывает систему универсального квантового компьютера для любых вычислений. |
|
После 1990: практические попытки создания квантовых компьютеров. Начало активного финансирования исследований |
|
| 1994 |
Питер Шор открывает квантовый алгоритм разложения целых чисел на множители, позволяющий взламывать современные криптосистемы. |
| 1994 |
Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак реализуют первую экспериментальную схему квантового компьютера, получив логический вентиль C-NOT. |
| 1997 | Алексей Китаев создает надежный метод коррекции ошибок при квантовых вычислениях. |
| 1998 |
Первые двухкубитные компьютеры созданы в Оксфордском университете и IBM. |
| 2001 |
Квантовый компьютер IBM проводит успешное разложение числа 15 по алгоритму Шора. |
| 2008 |
Компания D-Wave заявляет о создании 28-кубитного устройства. |
| 2016 |
IBM запускает облачный сервис Quantum Experience для удаленного доступа к квантовому вычислителю. |
| 2017 |
Не менее четырех независимых групп докладывают о создании вычислителей с примерно полусотней кубит. |
| 2018 |
Группа Джона Мартиниса анонсирует Bristlecone — квантовый компьютер на 72 кубитах с системой коррекции ошибок. |
Команда Михаила Лукина создала в 2017 году один из самых мощных квантовых компьютеров. С помощью ученого РБК разбирается, каковы критерии успеха в квантовой гонке и когда стоит ждать квантового превосходства
Двадцать лет назад квантовые компьютеры считались фантастикой, а скоро они будут удивлять нас не больше, чем обычный ПК. «Я думаю, лет через пять-десять уже во многих областях человеческой деятельности без квантовых технологий обойтись будет невозможно», — говорит профессор Гарварда Михаил Лукин, команда которого в 2017 году создала один из самых мощных квантовых компьютеров.
Михаил Лукин уехал в Америку около четверти века назад. В 1993 году выпускника факультета физической и квантовой электроники МФТИ пригласил в аспирантуру Техасского университета A&M Марлан Скалли, всемирно известный исследователь в сфере квантовой оптики. В Техасе в 1998 году Лукин защитил диссертацию об использовании лазеров для контроля над средой. Но свои главные научные эксперименты Михаил Лукин сделал в следующем десятилетии в Гарвардском университете. Здесь он стал профессором физики, затем — содиректором Гарвардского центра квантовой физики и Центра ультрахолодных атомов.
«Мне очень повезло: в Гарварде я оказался на особых условиях. Обычный постдок (ученый, недавно получивший степень PhD, что примерно соответствует российскому кандидату наук. — РБК ) должен работать в одной научной группе и заниматься каким-то конкретным узкоспециализированным проектом. У меня же была полная свобода», — рассказал Лукин журналу РБК.
Лукин говорит, что его и его коллег много раз звали работать на корпорации, включившиеся в гонку по созданию квантового компьютера, но он неизменно отказывается: «Я бы сказал, до сих пор самая креативная деятельность в этой области происходит все-таки в университетах».
В атмосфере «рабочей вседозволенности» в течение последних 16 лет ученый и его группа провели эксперименты, поразившие научный мир: вроде остановки света или создания фотонных молекул — материи, похожей на световые мечи из «Звездных войн» — и временных кристаллов, структур, до этого существовавших только в теории. В течение этих лет он также вынашивал идею эксперимента по квантовым вычислениям, который летом 2017-го года прославил Лукина и его лабораторию на весь мир.
Квантовая информатика
Еще в начале 1990-х годов идею создания квантовых компьютеров даже в научном сообществе никто не воспринимал всерьез, говорит Лукин: «Но потом произошло сразу две, если можно так сказать, революции».
В 1994 году американец Питер Шор разработал квантовый алгоритм факторизации, названный потом его именем. «Умножить два простых числа, даже очень больших — просто, а найти, на какие простые множители делится большое число — очень сложная для компьютера задача. Факторизация лежит в основе всей современной криптографии», — объясняет Лукин.
Фото: Фото: Саша Маслов (Sasha Maslov) для РБК
Обычные компьютеры способны взламывать современные криптографические системы, но у них на это уходит так много ресурсов и времени, что результат оказывается бесполезным. Квантовый же компьютер сможет решать такие задачи практически мгновенно, и алгоритм Шора стал первым доказательством практического смысла создания таких устройств. «Во-вторых, в то же самое время произошли большие сдвиги в экспериментальной физике: ученые научились хорошо охлаждать атомы, изолировать отдельные частицы», — продолжает Лукин.
В том же поворотном для квантовых компьютеров 1994 году вышла научная статья двух европейских физиков, Петера Цоллера и Хуана Игнасио Сирака, в которой они описали квантовый компьютер с использованием ионной ловушки. «Квантовая информатика только зарождалась, у других исследователей были лишь абстрактные идеи квантовых компьютеров, никто всерьез даже не размышлял, можно его сделать или нет. Публикация Цоллера и Сирака изменила все: стало ясно, что построить квантовый компьютер возможно, и даже появилось конкретное предложение как», — вспоминает Лукин.
С авторами статьи Михаил встретился в начале 2000-х: «Они уже были известными людьми, а я — молодым начинающим ученым. Но оказалось, что наши идеи очень похожи. Мы объединили усилия и написали серию статей, в которых теоретически описали идеи, легшие в основу нашей сегодняшней практической работы».
В 2000-х многие научные группы начали проводить эксперименты на сверхпроводниках — материалах, при низких температурах полностью теряющих электрическое сопротивление. Группа Лукина, в свою очередь, решила попробовать сделать упор на «холодных атомах» — частицах, охлажденных практически до абсолютного нуля и помещенных в оптические ловушки, созданные лазерами. При соблюдении необходимых условий их можно использовать в качестве достаточно стабильных квантовых битов (кубитов).
Делать реальный квантовый вычислитель Лукин в середине 2000-х не решился: проект казался слишком рискованным, не хватало технологической базы. Несколько лет его группа в Гарварде изучала другие способы сделать кубиты для квантового компьютера — например, из примесей в алмазе. Из таких исследований появлялись и другие практические проекты: например, бывшие студенты профессора придумали, как из алмазов делать квантовые сенсоры для медицины.
В 2010-х годах квантовые вычисления перестали обсуждать исключительно в лабораториях научных центров — ими всерьез заинтересовались крупные ИТ-компании.
Настоящие квантовые
Несколько лет назад о намерении построить работающие прототипы квантовых компьютеров заявила не только давно изучавшая эту сферу компания IBM, но и ранее не замеченные в ней Google, Intel и Microsoft.
При этом канадская компания D-Wave с 2011 года уже выпускает и продает «настоящие квантовые компьютеры» — сначала мощностью 16, затем 28, а спустя пару лет — 512 кубит. Сегодня компания предлагает уже 2000-кубитные компьютеры. У D-Wave серьезный пул покупателей: Google, NASA, Lockheed Martin, Volkswagen Group. Непосвященному человеку может показаться, что квантовое будущее уже наступило — и да, и нет.
D-Wave выпускает так называемые адиабатические компьютеры — для понимания их отличий от полноценных квантовых компьютеров придется прочитать хотя бы краткий курс квантовой физики. В прикладном смысле разница заключается в том, что компьютеры D-Wave способны решать только очень узкий круг задач, связанных с оптимизацией. В Google, например, для компьютера D-Wave подобрали одну задачу, которую адиабатический компьютер решил в миллионы раз быстрее, чем классический. Но извлечь из этого реальную пользу было нельзя, а для решения других задач машина не предназначена.
Успехи в области создания «настоящих» квантовых компьютеров скромнее: до последнего времени их мощность не превышала 17-20 кубитов, и Лукин говорит, что пару лет назад не верил в возможность создания устройства большей мощности. Но летом 2017 года группа Лукина сообщила о создании работающего прототипа квантового симулятора на 51 кубит, а буквально через месяц группа профессора Кристофера Монро из Мэрилендского университета заявила о создании симулятора на 53 кубита. Устройства и результаты первых экспериментов, проведенных на них, описаны в статье, опубликованной в журнале Nature в конце ноября.
Атомы в оптических ловушках и сверхпроводники — это сегодня две опережающие все другие технологии создания квантовых компьютеров, рассказал журналу РБК профессор Кристофер Монро. «Оба подхода сейчас находятся на этапе, когда у нас уже есть четкое представление о том, как строить довольно большие устройства, и есть идеи, как их масштабировать, — отметил он. — Сверхпроводники пока что показывают более низкую производительность, но поскольку кубиты здесь печатаются на чипе, их легче масштабировать. С атомами работать проще, потому что каждый атомный кубит идентичен по определению. Существуют и другие, похожие технологии, которые нас догоняют, в том числе нейтральные атомные кубиты, которые делает группа Михаила Лукина».
Гонка за кубитами
Количество кубитов кажется простым и понятным критерием успеха, но в квантовой физике ничего не бывает простым и понятным. Количество кубитов — лишь одна из трех «осей», на которых строится квантовый компьютер, объясняет профессор Лукин. Вторая — когерентность, способность кубитов находиться в состоянии суперпозиции (вспомните про кота Шредингера), быть одновременно и нулем, и единицей — на этом явлении квантовой механики основана вся теория квантовых вычислений.
Этой способностью определяется время, в течение которого машина может работать: чем дольше время когерентности, тем больше вычислений компьютер способен провести. «Если у вас миллион кубитов, но вы на них не можете сделать достаточное число операций, то у вас квантового компьютера не получится. Например, у компьютеров D-Wave каждый из первоначальных кубитов имеет настолько низкую когерентность, что непонятно, есть ли там вообще квантовые свойства или нет», — говорит Лукин.
Наконец, третья «ось» — это степень программируемости, она описывает, сколько задач разного типа с помощью квантового компьютера можно решать, продолжает Лукин. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — утверждает он.
Разница между квантовым симулятором и универсальным квантовым компьютером заключается в том, что первый можно запрограммировать на выполнение только определенного вида задач, объясняет профессор Монро: «Но прелесть в том, что симулятор можно в будущем превратить в универсальный компьютер». Правда, провести четкую грань между ними не всегда возможно, добавляет Лукин.
«Квантовый симулятор, который можно запрограммировать произвольным образом, становится универсальным. Получается, что грань между компьютером и симулятором очень размыта, и сейчас непонятно, можно ли вообще ее определить. Но это нормально, мы сейчас находимся буквально на переднем крае науки, и подобное происходит со всеми новыми явлениями», — объясняет ученый.
Оптимизм без доказательств
Даже ученые пока не берутся очертить весь круг задач, в которых квантовый компьютер будет превосходить обычный. «Алгоритм Шора в некотором смысле уникален, потому что это одна из немногих задач, про которую мы точно знаем, что с ней квантовый компьютер справится лучше обычного, это доказано. Есть множество других очень многообещающих алгоритмов, в том числе для той же комбинаторной оптимизации, для которых пока что нет никаких доказательств», — разводит руками Лукин.
Фото: Фото: Саша Маслов (Sasha Maslov) для РБК
С одной стороны, именно алгоритм Шора и неизбежность квантового взлома криптографических систем защиты информации привлекли в эту сферу большие государственные деньги. Лидирует в этом смысле Китай, который недавно пообещал вложить в строительство нового квантового центра $11,5 млрд. С другой стороны, расшифровка кодов станет пусть важной, но небольшой частью того, что смогут делать квантовые компьютеры, надеется Лукин. «Мне не нравится в алгоритме Шора, что он несет в основном деструктивную силу. Однако я уверен: еще до того как он будет реализован, квантовый компьютер успеет принести много пользы человечеству», — говорит он.
В опубликованной в конце ноября статье в журнале Nature ученые рассказали, что им удалось увидеть образование квантовых кристаллов — материала, который может использоваться для создания квантовой памяти в квантовых компьютерах. «То, что мы сделали, впрямую промоделировать на классических компьютерах невозможно, с этой точки зрения можно сказать, что квантовое превосходство уже продемонстрировано, — говорит Лукин. — Это важно для науки: мы уже вошли в предел, когда квантовые компьютеры начинают приносить пользу».
Считается, что квантовое превосходство будет достигнуто, когда квантовые компьютеры будут справляться с практическими задачами лучше, чем классические суперкомпьютеры. Мощность классических компьютеров постоянно растет, но есть класс задач, справиться с которыми им все равно не хватит ресурса, и это не исправить простым наращиванием вычислительных возможностей, объясняет Лукин. Среди них, например, задачи комбинаторной оптимизации, которые есть в любой области.
«Классический пример — задача коммивояжера. Представим, что «Аэрофлот» хочет оптимизировать маршруты перелетов так, чтобы тратить меньше топлива и при этом покрывать большую территорию и сделать вылеты удобными для пассажиров. Классический компьютер плохо справляется с таким типом задач, они для него слишком сложные, слишком много вариантов ответов. Все, что он может — по очереди перебирать разные варианты, это занимает огромное количество времени и требует больших мощностей», — объясняет Лукин.
Квантовый компьютер способен перебирать эти варианты не последовательно, а параллельно, что фантастически ускоряет процесс расчета — буквально минуты вместо лет. Эффективное решение таких задач чрезвычайно важно для современных областей информатики, например для искусственного интеллекта или машинного обучения, добавляет Лукин.
Среди других возможных применений квантового компьютера физики называют моделирование новых материалов с заданными свойствами и разных химических процессов. «Даже простые химические реакции очень сложно моделировать на классических компьютерах, потому что есть очень много вариантов их протекания, — объясняет Лукин. — Квантовым компьютерам это, вполне вероятно, окажется под силу. А повышение эффективности какой-нибудь химической реакции буквально на пару процентов способно создать новую индустрию». С ним соглашается и Монро: главные перспективы для квантовых вычислений он видит в логистике, создании новых материалов и лекарств в фармацевтике, а также в самой разнообразной оптимизации.
Квантовый интернет
Одна из главных проблем, которую предстоит решить физикам и инженерам, — масштабирование квантовых компьютеров. «Сегодня мы точно не знаем, как масштабировать эти системы за пределами примерно 1 тыс. кубитов. Есть разные идеи, самая многообещающая из них, на мой взгляд, — идея модульной архитектуры, — рассказывает Лукин. — Вместо того чтобы добавлять все больше кубитов в одну машину, мы создаем сеть из квантовых компьютеров. Каждый вычислитель мощностью пару сотен кубитов соединяется во что-то вроде «квантового интернета». Над подобными концепциями сейчас работают несколько групп, в том числе группа Лукина, но все находятся на относительно ранних этапах.
В гарвардской группе Михаила работают около 30 человек, но над квантовым симулятором — гораздо больше: он создавался совместными усилиями трех научных лабораторий. Всего в мире, по словам Лукина, около десяти подобных центров, где идут разработки на переднем крае квантовых технологий. Большинство из них сейчас уходит от чистых физических экспериментов в сторону практических разработок, и все больше растет роль корпораций. «В дополнение к чистой науке сейчас нужно решать и инженерные задачи, которые можно четко поставить, а это гораздо быстрее и эффективнее делается в компаниях, а не в университетах, — говорит Лукин. — Мы уже знаем, как построить достаточно большой квантовый компьютер, теперь нужно сделать так, чтобы система работала не на уровне «разберется только аспирант», а на уровне «пришел, включил, работает». Именно в этом, а еще в поиске практических приложений частные компании очень сильны».
В ближайшие пять лет будет создано множество работающих квантовых машин, уверен Монро. А через десять лет появится полноценный квантовый компьютер, программируемый людьми, которые не знают и не особенно заботятся о том, как он устроен внутри, считает он: «Именно тогда начнется поиск его реальных практических приложений». Сейчас универсальные квантовые компьютеры на несколько десятков кубитов могут работать лишь с искусственно созданными алгоритмами, продолжает Монро: «И это не так уж интересно, потому что такую небольшую систему можно легко смоделировать на обычном компьютере».
Квантовые компьютеры находятся на том же этапе, на котором в свое время были первые классические компьютеры, говорит Лукин: «Об этом часто говорит сам Питер Шор: тогда тоже были какие-то идеи об алгоритмах, которые, может быть, будут эффективно работать, а может, и нет». Когда первые классические компьютеры стали реальными устройствами, ученые и инженеры стали тестировать на них эти алгоритмы, и многие из них оказались очень эффективными, говорит Лукин: «Думаю, то же случится и с квантовыми алгоритмами».
Станет ли квантовый компьютер таким же привычным устройством, каким стал обычный ПК? Пока этого никто не знает, все будет зависеть от конкретных примеров и приложений, которые могут стать частью нашей жизни, отвечает Михаил Лукин. «Кто бы мог подумать даже 20 лет назад, что это будет настоящий компьютер», — заключает он, указывая на лежащий перед ним сотовый телефон.
Российские ученые представили разработку, которая, по их словам, должна кардинально изменить жизнь человечества. Созданием квантовых компьютеров, способных работать в миллионы раз быстрее современных операционных систем, занимаются крупнейшие технологические корпорации мира. Но они уже признали победу коллег.
Это казалось фантастикой еще вчера - квантовые компьютеры, способные обогнать все существующие устройства. Они настолько мощные, что могут или открыть человечеству новые горизонты, или обрушить все системы безопасности, потому что смогут взломать их.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомный бомбы», - считает генеральный директор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
В разработку вкладываются крупнейшие корпорации: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Но сегодня в центре внимания - Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра. Его команде удалось создать самый мощный на данный момент квантовый компьютер.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы. Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справится с вычислениями. Делаем маленькие открытия уже, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, мы даже до конца их не понимаем», - рассказывает профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин.
Все - из-за мощности таких устройств. Расчеты, которые на сегодняшнем суперкомпьютере займут тысячи лет, квантовый может сделать в один миг.
Как это работает? В обычных компьютерах информация и вычисления - это биты. Каждый бит - либо ноль, либо единица. Но квантовые компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным компьютерам нужно, грубо говоря, выстроить последовательности, то квантовые вычисления происходят параллельно, в одно мгновение. В компьютере Михаила Лукина таких кубитов - 51.
«Во-первых, он сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это больше чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что Google все время говорил, что сделает 49», - объясняет гендиректор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
Создание самого мощного квантового компьютера пророчили ему. Джон Мартинес - руководитель крупнейшей в мире квантовой лаборатории корпорации Google. И свой 49-кубитный компьютер он планировал закончить только через несколько месяцев.
«22 кубита - это максимум, что мы смогли сделать, мы использовали все свое волшебство и профессионализм», - рассказывает он.
Мартинес и Лукин выступили на одной сцене - в Москве, на Четвертой международной квантовой конференции. Впрочем, соперниками ученые себя не считают.
«Неправильно думать об этом, как о гонке. Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов», - говорит глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google Джон Мартинес.
Но для чего нам понадобятся квантовые компьютеры? Даже сами их создатели не знают наверняка. С их помощью могут быть разработаны совершенно новые материалы, сотни открытий в физике и химии. Квантовые компьютеры - пожалуй, единственное, что может приоткрыть тайну человеческого мозга и искусственного интеллекта.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры», - говорит директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
Один из первых компьютеров был создан в 40-х годах ХХ века и весил 27 тонн. Если сравнить с современными устройствами, то обычный смартфон по мощности - это как 20 000 таких машин. И это за 70 лет прогресса. Но если наступит эра квантовых компьютеров, уже наши потомки будут удивляться, как вообще пользоваться этим антиквариатом.
