Близкое будущее квантового компьютера в наивных вопросах и ответах
В сфере создания квантовых компьютеров в 2023 году может произойти сразу несколько значимых событий. Ожидается, что именно в этом году появится первая коммерческая модель квантового компьютера, а также будет практически завершена работа над первым российским квантовым компьютером на ионах. Будет ли это означать уверенное достижение квантового превосходства, о котором уже заявили в Google, – большой вопрос. В гонке за кубитами участвуют сразу несколько стран, но победителя в этом научном и техническом соревновании может не оказаться. Несмотря на все успехи, наука очень далека от создания по-настоящему массовых квантовых вычислительных технологий. Мы собрали несколько наивных вопросов на этот счет и попросили ответить на них научного консультанта Artezio, доктора технических наук, профессора по кафедре прикладной математики и информатики Владимира Крылова.
От персональных компьютеров к квантовым: что даст переход с битов на кубиты?
Для начала немного о том, почему все ждут революции в области вычислительной техники. Наверняка, многие знают, что в основе работы универсальной вычислительной машины лежит принцип исполнимого алгоритма, то есть решения задачи через последовательное исполнение определенных шагов. Это вполне соответствует материализации фундаментальной теоретической модели вычислений, известной как машина Тьюринга.
На основе этой теоретической модели было достигнуто понимание основ теории вычислений и основной ее части – теории сложности. Мы знаем, что не любая функция вычислима. Более того, мы знаем, что невычислимых функций несоизмеримо больше, чем вычислимых, где может помочь компьютер. А все вычислимые функции можно классифицировать по степени роста необходимого количества операций для их выполнения при увеличении входных данных, так называемой вычислительной сложности.
Кроме того, на любом этапе технологического совершенствования компьютеров существуют задачи, решить которые можно только за время, настолько большое, что результат никого уже не будет интересовать. И таких задач больше, чем тех, которые могут быть решены за приемлемое на практике время.
В общем оказалось, что задач, реально решаемых на компьютерах гораздо меньше, чем всех, которые теоретически решаемы, вычислимы. И оставался только один путь развития вычислительных технологий – масштабирование компьютеров до гигантских размеров и уменьшения времени выполнения ими операций. Увы, и тут нас ждет разочарование: существует размер, больше которого компьютер не может существовать по законам физики.
В 1981 году Ричардом Фейнманом была предложена модель квантового компьютера. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера, которые не укладываются в привычные рамки понимания компьютерных вычислений.
Элементная база квантового компьютера – квантовые объекты. При этом он медленнее существующих ПК. Он даже отстает по объему памяти от классических компьютеров. Зато он решает задачи не путем разложения в цепочку шагов алгоритма. Поэтому квантовый компьютер способен получить решение многих задач за время, в миллионы раз меньшее, чем самый современный суперкомпьютер.
При объяснении работы квантового компьютера главный вопрос состоит в том, где же в нем выполняются параллельно все те вычислительные операции. Почему он решает задачу в миллионы раз быстрее, чем классический компьютер?
И ответ находится в интерпретации квантовой механики, называемой “многомировой”: квантовые объекты существуют одновременно во многих параллельных физических мирах. Именно там в параллельных нашему миру других мирах и происходят параллельные операции. Итак, квантовый компьютер – это принципиально другая реализация вычислений путем использования параллельных миров. Кубиты часто принято рассматривать просто как аналоги элементов классических компьютеров с двумя состояниями (битами). Но это совсем иное. Кубиты – это квантовые объекты для взаимодействия с параллельными мирами. Программировать квантовый компьютер значит управлять этим взаимодействием.
Сложности создания: почему квантовый компьютер еще не стал массовым?
Функционирование кубитов требует их исключительной изоляции от внешних воздействий. Квантовый компьютер в конструкции имеет существенно больше элементов глубокого охлаждения (вплоть до криогенных температур в 0.015 градуса Кельвина) и защиты от внешних помех, чем физических объектов, выполняющих функции кубитов.
Источник: https://www.gazpd.ru/
Но даже при таких тщательно разработанных, изготовленных и смонтированных вспомогательных агрегатах сегодняшний квантовый компьютер не способен стабильно выполнять квантовые алгоритмы. Его работа нестабильна и сопровождается ошибками. Современные тренды в разработке квантовых компьютеров направлены на создание методов исправления этих ошибок. Большинство разработок квантовых алгоритмов ведется для так называемых Noisy intermediate-scale quantum (NISQ) компьютеров (с промежуточным уровнем шума).
Выход квантового компьютера за пределы научной лаборатории определяется наличием NISQ-алгоритма для решаемой задачи.
Кроме этого, для успешного создания квантовых компьютеров необходимо понимание их места в архитектуре вычислительных инструментов. Сегодня — это специализированные ускорители. Они применяются в общей архитектуре сетей из классических компьютеров. И появление встроенных в какие-либо устройства квантовых вычислителей пока остается за гранью фантазии даже энтузиастов. Проблема развития квантовых компьютеров исключительно наукоемкая и решается пока по законам науки. Никакими рыночными инструментами ускорить решение этой проблемы невозможно.
Но нельзя сбрасывать со счетов непредсказуемое появление кубитов на иных, чем сегодня физических принципах, которые окажутся стабильными и управляемыми квантовыми объектами.
Тогда проводимые в настоящее время разработки квантовых алгоритмов дадут быстрый результат. Но почему тогда правительства разных стран и ИТ-компании заявляют о наличии «дорожных карт» по созданию и выводу на массовый рынок квантовых компьютеров?
Эти «дорожные карты» направлены на количественный рост числа интегрированных в компьютер кубитов. Первый поставляемый компанией IBM серийный квантовый компьютер IBM Quantum System One имеет квантовый процессор Eagle с 127 кубитами. Следующим таким компьютером, поставки которого начнутся с 2023 года, является IBM Quantum System Two с 433 и 1121 кубитами. Это позволит бороться с проблемами ошибок путем дублирования. Выпуск этих компьютеров позволит и дальше выделять финансирование на научные разработки, которые могут принести непредсказуемый, но прорывной результат в области создания квантовых устройств.
На рынке квантовых компьютеров уже работают больше 400 компаний. В разработку и выпуск аппаратной (самой дорогой) составляющей инвестируют Amazon, Archer, Atos, Fujitsu, Google, Hitachi, Honeywell, IBM, Intel, NEC, Nvidia, Quantum Computing Inc., Quantum Numbers Corporation, Toshiba. С крупными игроками конкурируют и другие частные компании, например, PsiQuantum, Rigetti, D-Wave, IonQ, Xanadu, Quantum Circuits Inc., Delft Circuit, Quemix, Turing Inc.
Источник: http://www.rfid-wiot-search.com
Гонка за кубитами: какая страна станет лидером в разработке квантовых компьютеров — США, Китай или, может быть, Россия?
На этот вопрос я могу ответить так: квантовые вычисления и квантовые компьютеры в целом – это слишком научная сфера разработок. И история высоких технологий говорит, что США в таких задачах всегда оказывались впереди. Но именно в области квантовых компьютеров существует высокий уровень негомогенности, и отдельные задачи оказываются гораздо ближе к практическому решению существующими средствами, чем многие другие.
Напомню, что квантовый компьютер – это пока не полностью универсальная вычислительная машина, а специализированный вычислитель. И если выбрать такую задачу, где решение определяется достижением некоторого количественного технологического показателя, то Китай вполне может выиграть гонку.
Все будет решать ситуация с общим уровнем поддержки научных исследований и образования в этой специфической области. Если говорить об образовании, то в прошлом году российские студенты проявили желание участвовать в процессе сертификации IBM по квантовым вычислениям. Большинство предложенных задач представлялись нашим студентам преодолимыми по уровню полученных умений на семинаре. В рамках регистрации мы узнали имена тех, кто подал заявки. Так вот, кроме ожидаемых представителей из США, КНР и Европы подавляющее число заявителей было из африканских стран. Из России имен мы практически не увидели. Поэтому у меня вызывает глубокое сомнение успех российской “дорожной карты” по квантовым вычислениям. Хотя если понимать поставленную в ней задачу, как появление к 2025 году первых квантовых компьютеров от 30 до 100 кубитов, то как физическая установка такой квантовый компьютер вполне воспроизводим. Но кто и для чего сможет его использовать – это вопрос.
Кому и зачем: какие задачи способен сегодня решать квантовый компьютер?
Обычно разговор о преимуществах квантовых вычислений сводится к задаче разложения большого целого числа на простые сомножители. С прикладной точки зрения, это позволит легко вскрывать все распространенные современные шифровальные коды. Некоторые апологеты квантовых вычислений говорят о крахе криптографии. Скептики им возражают, и действительно, пока неизвестно, чтобы кто-то вскрыл современную криптосистему благодаря применению квантового компьютера. И это несмотря на то, что квантовый алгоритм для решения упомянутой выше задачи был опубликован еще в 1994 году Питером Шором.
Работоспособность алгоритма Шора была показана в 2001 году на примере факторизации числа 15 на квантовом компьютере из семи кубитов. Экстраполяция прогресса роста размера квантовых компьютеров позволяет предсказать, что квантовые компьютеры, способные эффективно решать задачи криптоанализа используемых сейчас криптосистем, будут доступны в диапазоне 2028-2033 годов.
Источник: https://ru.wikipedia.org
Этот прогноз и привел к интенсивным разработкам новых алгоритмов криптозащиты, которые должны быть устойчивы к вскрытию на квантовых компьютерах. Такие системы будут относиться уже к постквантовой криптографии.
Вообще история появления квантовых алгоритмов выглядит весьма непоследовательной. В большинстве случаев все начинается с поиска какой-нибудь задачи из списка известных трудных вычислительных задач и подбора для нее композиции квантовых схем, вентилей, осуществляющих превращение обычных данных в квантовые. Удалось найти квантовые алгоритмы для решения многих задач, часть которых пока даже не имеет практического смысла. Я приведу несколько примеров, на которых обычно построены истории успеха квантового превосходства.
Многих интересует, что приносят квантовые вычисления в разработки искусственного интеллекта. Так вот сегодня известно немало квантовых алгоритмов машинного обучения. Это квантовые нейронные сети, квантовые классификаторы и регрессоры, обучение с квантовым ядром, квантовые генеративные состязательные сети. К сожалению, достижимые сегодня размеры квантовых компьютеров позволяют решать задачи машинного обучения только в гибридной среде совместно с классическими вычислениями. Поэтому успехи в этой области носят характер перспективных прогнозов будущего использования.
Существенно большие реальные перспективы видны в разработках алгоритмов в области исследований молекулярных и атомных структур вещества. В первую очередь это вычисления молекулярных гамильтонианов и их использования в квантовых алгоритмах для поиска информации об электронной структуре молекул и их взаимодействия с другими молекулами. С помощью таких алгоритмов решены практические задачи синтеза материалов с заданными свойствами, лекарств, связывающих определенные молекулы в живом организме.
Есть еще одна область, где квантовые алгоритмы уже дают заметные преимущества – это задачи из финансовой области, например, оптимизация и диверсификация портфеля, ценообразование опционов, «бычьи» и «барьерные спреды», варианты ценовой корзины, ценообразование активов с фиксированным доходом, анализ кредитного риска. Здесь в основе лежит решение задачи оптимизации с помощью квантового приближенного алгоритма оптимизации и вариационного алгоритма оптимизации. Также оказалась востребованной целая группа квантовых алгоритмов оптимизации широкого применения, таких, как поисковый алгоритм Гровера, квадратичного программирования, проблем коммивояжера, маршрутизации транспорта и других.
Источник: http://dev.by
Внедрение квантовых компьютеров: где они могут использоваться за пределами лабораторий?
Сейчас много крупных компаний проявляет интерес к использованию квантовых компьютеров в своих бизнес-процессах. Для этого они заключают контракты с ведущими производителями квантовых компьютеров и инвестируют в стартапы, ориентированные на их разработку на новой физической среде и предоставлении облачных сервисов квантовых вычислений.
Стоимость современного квантового компьютера запредельно велика. Она не по карману не только рядовым компаниям, но даже очень крупным. Естественной бизнес-моделью использования квантового компьютера является облачная модель.
Ряд разработчиков и владельцев квантовых компьютеров предоставляют услугу и интерфейс прикладного программирования для удаленного использования реальных кубитов любому заинтересованному. Причем такой бэкэнд предоставляется бесплатно, без ограничений квантовых вычислений. Так что вы можете поработать сегодня на реальном квантовом компьютере, если умеете работать с Python и имеете постоянное интернет-соединение. Конечно, очереди за бесплатным сервисом затрудняют работу с такими задачами, как квантовое машинное обучение, но почувствовать реальность квантовых вычислений довольно просто.
Если говорить про будущие внедрения квантовых компьютеров, то Джем Дильмегани, основатель аналитической компании AIMultiple, рассматривает следующие рынки как перспективные.
Автомобильный рынок
Например, для оптимизации больших автономных парков. Так, Volkswagen сотрудничает с Google, чтобы использовать квантовые вычисления для разработки своих автономных транспортных средств.
Энергетика
Управление электроэнергетики и водоснабжения Дубая (DEWA) работает с Microsoft с 2020 года над использованием квантовых вычислений для оптимизации энергопотребления.
В Министерстве энергетики США (DOE) есть две лаборатории, созданные специально для интеграции квантовых вычислений в оптимизацию сети.
Рынок погодных прогнозов
IBM использует квантовые вычисления для точного прогнозирования погоды, в настоящее время обслуживая почти всех поставщиков потребительских технологий, например, Apple, Amazon, Google и Facebook.
Финансовый рынок
Автоматическая торговля (например, прогнозирование финансовых рынков).
Для анализа рисков. В 2020 году Caixa Bank запустил пилотную программу по использованию квантовых вычислений для моделей классификации рисков.
Оптимизация портфеля. В 2021 году KPMG провела пилотный бенчмаркинг управления портфелем и обнаружила, что квантовые вычисления работают лучше, чем любые другие методы бенчмаркинга для краткосрочных инвестиций.
Обнаружение мошенничества. В 2022 году PayPal заключила партнерское соглашение с IBM, чтобы использовать квантовые вычисления для обнаружения мошенничества.
Рынок страховых услуг
Оценка инструментов, страховые взносы в сложных случаях. Компания медицинского страхования Anthem планирует использовать решение IBM для квантовых вычислений для задач, требующих большого объема данных, например, для выявления аномалий здоровья.
Логистика
Оптимизация маршрутов и трафика: компания DWave, занимающаяся контролем качества, в партнерстве с Toyota провела исследование, которое доказало, что использование контроля качества для прогнозирования и оптимизации трафика работает лучше, чем существующие решения.
Оптимизация цепочки поставок и запасов: приложение контроля качества еще не является признанным решением в оптимизации цепочки поставок, но крупные компании (например, Coca Cola Japan), запустили крупномасштабные пилотные проекты.
Производство
Оптимизация конструкции (например, аккумуляторы, чипы, транспортные средства и т. д.): Daimler работает с технологией квантовых вычислений IBM для создания более долговечных чипов.
Фармацевтический рынок
Предсказание взаимодействия лекарств. Биотехнологическая компания из Массачусетса заключила партнерское соглашение с 1QBit, чтобы использовать квантовые вычисления для молекулярного сравнения при разработке лекарств.
Персонализированная медицина с учетом геномики. Cambridge Quantum, исследовательский партнер Roche и Crownbio, разрабатывает технику квантовых вычислений для анализа генетических данных для лечения рака.
Технологии исследования и программное обеспечение.
Исследования лекарств. Молекулярная биология и здравоохранение также включают в себя процесс, аналогичный химическим исследованиям, который может заменить лабораторные эксперименты моделированием квантовых вычислений. Выпуск препарата — сложный процесс, который занимает много лет и стоит около 2,7 млрд долларов.
Ускорение процесса утверждения лекарств. Благодаря исследованию воздействия заболеваний на организм человека и моделированию на молекулярном уровне квантовые компьютеры могут ускорить тестирование лекарств.
Источник: https://hightech.fm/
Квантовые вычисления – это близкая реальность?
Квантовые вычисления – это реальность, но пока еще далекая от регулярного использования в индустрии. Темпы продвижения квантовых вычислений зависят от числа специалистов, которые могут внести реальный вклад в их развитие. И здесь нужно создавать, развивать и поддерживать коллективы физиков, строящих все новые материальные воплощения для управления квантовыми эффектами. Кроме того, в поддержке нуждаются группы программистов и математиков, развивающих программные средства квантовых вычислений и их гармоничного сочетания с миром классического компьютинга. Нужна целенаправленная работа по поиску и стимулированию специалистов в прикладных областях, которые смогли бы перевести проблемы из своей области на язык квантовых представлений. Добавлю, что в Artezio открыта лаборатория искусственного интеллекта, и мы уделяем внимание QML.
Мы стремимся, чтобы команда Artezio была в курсе самых передовых технологий, поэтому ежегодно Владимир Крылов обновляет и читает большой увлекательный внутренний курс по машинному обучению для разработчиков и аналитиков, на который может записаться любой сотрудник компании. Так что если вы ИТ-специалист и хотели бы получить уникальные знания и навыки, присмотритесь к списку вакансий на нашем сайте.
А еще 10 июня в 12.00 по МСК состоится публичный онлайн-вебинар доктора технических наук Владимира Крылова на тему «Знакомимся с квантовым машинным обучением (QML)». В нем можно принять участие бесплатно и задать вопросы лектору. Для регистрации на вебинар достаточно заполнить простую форму. Все зарегистрированные участники получат на указанный при регистрации e-mail инструкции для подключения к трансляции. Будем рады всем, кто интересуется QML.
В 2023 году в РКЦ представят первый квантовый процессор на 16 кубитах
В России началась квантовая гонка между исследовательскими командами. Несколько научных групп стремятся создать передовой квантовый процессор и догнать зарубежных коллег. Например, недавно российские ученые из МФТИ и НИТУ «МИСиС» впервые в России продемонстрировали квантовый процессор на четырех кубитах. Однако похожий процессор уже представляли сотрудники Российского квантового центра (РКЦ) в 2021 году, но на куквартах. В США в это время уже создали процессор на 433 кубитах. «Газета.Ru» разобралась, чем отличаются разработки российских физиков, какой вид процессоров лучше, а также когда Россия догонит другие страны в области квантовых технологий.
Квантовая гонка
Квантовые технологии — это перспективное научное направление, одной из целей которого является создание квантового компьютера. В отличие от классического компьютера, квантовый в расчетах использует кубиты, а не биты. Кубиты — это квантовые биты в суперпозиции, то есть они могут находиться сразу в двух состояниях.
«Это можно сравнить с броском монетки: пока она летит, для бросавшего она остается и орлом, и решкой. Эта суперпозиция сохраняется, пока не поймать монетку или не произвести вычисление кубита. Именно благодаря этой особенности расчеты на квантовых системах производятся быстрее, чем на классических», — отметил в разговоре с «Газетой.Ru» старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.
В России, как и во всем мире, ученые пытаются создать квантовый компьютер, но все пошли разными путями.
Так, в 2022 году физики МФТИ совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС» впервые продемонстрировали полноценный действующий четырехкубитный квантовый процессор, на котором при помощи специальных прецизионных (высокоточных) методов была подтверждена высокая точность операций. В 2021 году сотрудники Российского квантового центра и ФИАН уже представляли квантовый процессор, но на двух ионах в ловушке (куквартах).
Сейчас научная группа из МФТИ и НИТУ «МИСиС» занимается созданием 8-кубитной системы, которую планирует представить до конца этого года. К 2024 году запланирована разработка 16-кубитной системы. В РКЦ и ФИАН собираются в следующем году представить новую версию процессора, уже на 16 кубитах.
«Сверхпроводниковые системы, с которыми мы работаем в МФТИ, фактически тоже являются многоуровневыми квантовыми системами, однако никто в мире не использует их для кодирования нескольких кубитов, поскольку это сопряжено со значительными техническими трудностями: нужно предотвращать утечки на верхние уровни. Думаю, что касается ионов в ловушках, дело обстоит примерно таким же образом», — отметил старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Алексей Дмитриев.
Кроме этих научных групп, квантовый процессор разрабатывается в МГУ — там ученые в том числе работают на атомах.
«В нашем случае роль физического кубита играет атом, пойманный в маленькую лазерную ловушку — оптический пинцет. Состояния кубита кодируются в относительную ориентацию спина электрона и атомного ядра: они либо направлены одинаково (1), либо противоположно (0)», — объяснил руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ Станислав Страупе.
По словам Страупе, научная группа работает над созданием 16-кубитного процессора, официально представить который планирует в следующем году.
Что же лучше?
Несмотря на то, что на первый взгляд все системы выглядят одинаково, у всех них есть свои плюсы и минусы. Так, например, сверхпроводниковые квантовые системы позволяют масштабировать квантовые процессоры — то есть увеличивать количество кубитов в них. На данный момент наибольшее количество полностью контролируемых кубитов достигнуто именно в сверхпроводниковых процессорах — так, IBM заявляет о полностью управляемой схеме с более чем 400 кубитами.
Атомные и ионные квантовые компьютеры также можно масштабировать за счет отсутствия микросхем. По словам специалистов из РКЦ и МГУ, это делать проще.
При этом Страупе отметил, что у сверхпроводящих процессоров есть электрическая схема, которая определяет потолок количества кубитов.
«Это число строго фиксировано. Наши атомы живут в оптических ловушках, и число атомов определяется тем, сколько мы можем захватить. Можно больше, можно меньше. Это легко реконфигурируемая модель, поскольку в ней нет чипа, атомы просто висят в воздухе», — объяснил Страупе.
Кроме того, у технологий различается и время жизни. Жизнь квантовых битов — это время, в течение которого кубиты остаются в суперпозиции. Оно называется «временем когерентности». Ключевую роль играет количество операций, которое можно выполнить за время когерентности кубитов. Чем больше этот параметр, тем больше способность кубита выполнять сложные задачи.
Технология МФТИ на сегодняшний день является самой точной в России — точность расчетов достигает 97%. До конца 2022 года ученые МФТИ изготовят и представят 8-кубитную систему. В 2023 году показатель точности операций будет увеличен до 99%.
В прошлом году точность расчетов 4-кубитной ионной системы РКЦ и ФИАН составляла 70%.
«Мы ожидаем, что порог в 90% точности преодолеем с выходом нового процессора, однако все равно можем отставать от коллег в этом показателе», — отметил заместитель руководителя научной группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков.
Процессор МГУ пока также не может догнать «коллег» из МФТИ. Качество операций составляет около 70%, сообщил Страупе.
«Мы пока процессор не представляли, так как работаем над улучшением точности — наша задача достигнуть 99,9%. Может быть, в следующем году его представим. Проблема в шумах от лазера. Для увеличения числа кубитов нужен более мощный лазер, но он пока изготавливается компанией», — рассказал Страупе.
Несмотря на различия в подходах, все научные группы подчеркивают важность развития всех вариантов реализации квантовых систем. По словам ученых, это позволит не отставать от западных коллег, которые значительно обогнали Россию в квантовых разработках.
Зачем нужен квантовый компьютер
Развитие квантовых технологий позволит решать многие задачи современных компьютеров эффективнее и быстрее. Например, квантовые компьютеры можно будет применять для сверхбыстрого поиска по базам данных, компьютерного моделирования, факторизации чисел для взлома алгоритмов шифрования, а также квантового машинного обучения ИИ.
«Квантовый компьютер сможет делать это гораздо эффективнее и быстрее текущих алгоритмов. Количество применений огромное, но пока это все умозрительно. Устройства еще нет. Когда появится, тогда люди придумают и новые задачи. Мне кажется, что даже компьютера от IBM с 433 кубитами недостаточно. Нужны тысячи кубит», — рассказал Страупе.
По словам Семерикова, пока никто не знает, как построить настолько мощный квантовый компьютер, который смог бы реализовать все эти задачи.
По словам специалистов, недостаточное количество оборудования может сдерживать темп развития индустрии. Для работы нужны криостаты, лазеры и литографы. Часть этого оборудования можно купить у других стран, однако сегодня инженеры и исследователи работают над точечным локальным производством.
«В России эта область квантовых технологий менее развита, ее начали активно изучать только в 2015 году, а на Западе на 20 лет раньше. Важно подчеркнуть, что в США пытаются увеличить количество кубитов, мы же пытаемся сделать операции точнее, что несколько важнее. Когда мы догоним западных коллег сказать сложно — может быть, в 2030 году, а может в 2050», — заключил Глеб Федоров.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Об этом «РГ» беседует с одним из пионеров создания отечественных квантовых технологий и сооснователем Российского квантового центра Русланом Юнусовым.
Среди важнейших приоритетов технологического суверенитета России названы квантовый компьютер, а в целом квантовые технологии. На них уже выделены многие миллиарды, а в перспективе суммы должны значительно увеличиться. Но почему они выходят на первый план? Чем не устраивают обычные суперкомпьютеры, которые решают задачи с фантастической скоростью 10 15 операций в секунду. А уже в планах 10 18 .
Руслан Юнусов: Конечно, суперкомпьютеры успешно работают в самых разных сферах жизни, но есть много задач, перед которыми даже они пасуют. Сколько бы степеней быстродействия вы ни прибавляли. Вот вроде бы элементарная задача — разложение числа на простые множители. Скажем, 10 делится на 2 и 5. Но если начнете увеличивать число на несколько знаков, то сложность вычисления вырастет многократно. Например, над числом из сотен цифр мощный суперкомпьютер будет возиться несколько миллиардов лет, а возможно, вообще не справится. Квантовому хватит нескольких минут.
Задача коммивояжера не под силу даже суперкомпьютеру
А можно пример задачи из реальной жизни?
Руслан Юнусов: Например, коммивояжеру, чтобы объехать сто клиентов, требуется выбрать лучший маршрут. Вроде бы можно довериться Яндекс.Навигатору. Но он находит хорошее решение, а не самое лучшее. Причем с каждой новой точкой задача сразу усложняется в 10, 100, 1000 и так далее раз. Это специфический класс оптимизационных задач, которые решаются перебором огромного количества вариантов. И здесь квантовому компьютеру нет равных — в сравнении с ним даже самый мощный суперкомпьютер больше напоминает примитивный калькулятор.
То есть квантовые компьютеры не вытеснят обычные, а займут свою нишу?
Руслан Юнусов: Именно так. Назову области применения, которые очевидны уже сегодня. Считается, что квантовый компьютер, манипулируя отдельными атомами, лучше справится с созданием новых материалов и новых лекарств. Он сможет взломать системы современного шифрования, но в то же время квантовая криптография защитит информацию на фундаментальном уровне. Ждут появления полноценного квантового компьютера финансисты и климатологи. Первым он крайне необходим для моделирования рынков и финансовых операций, вторым — для составления более точных сценариев климата и прогнозирования погоды.
Но я назвал только то, что мы знаем уже сейчас. Вы удивитесь, но на самом деле мы даже не представляем, на что по большому счету способен квантовый компьютер, в какие сферы он может проникнуть.
Так происходит с большинством прорывных технологий.
Руслан Юнусов: Да, аналогичная ситуация была когда-то с обычными компьютерами. Их авторы создавали устройства под вполне конкретные задачи. Они были уверены, что жителям Земли, чтобы решить свои проблемы, достаточно примерно тысячи таких машин. Однако новые задачи стали расти как грибы после дождя. Если бы в 50-е годы создателям компьютеров сказали, что через 70 лет основные мощности компьютерного времени будут потрачены на игры или на майнинг криптовалют, они посмеялись бы над подобной ересью.
Не сомневаюсь, что такая же история повторится и с квантовыми компьютерами. Эта техника будет совершенствоваться, начнет проникать в самые разные сферы жизни, кардинально их меняя. А когда это произойдет, когда квантовый компьютер станет достаточно мощным, те страны, у которых его не будет, окажутся неконкурентоспособными. А это уже вопрос не только технологического суверенитета, но и национальной безопасности. Поэтому ведущие государства активно включились в гонку, вкладывая в разработки миллиарды долларов.
Что такое квантовый «рубильник»
Итак, квантовый компьютер сулит революцию, какую когда-то совершил в нашей жизни традиционный. Можно на пальцах объяснить его суть?
Руслан Юнусов: Чтобы было понятней, начну с классического компьютера. Сегодня каждый школьник знает, что для кодирования информации применяется двоичная система с «0» и «1». Они реализуются в транзисторе, у которого есть два положения: «включен» и «выключен». В любом смартфоне таких «рубильников» несколько миллиардов.
Принципиально важно, что в каждый момент времени каждый из миллиарда «рубильников» может быть только в одном положении. Это наименьшая единица информации — один бит. В квантовом компьютере все иначе. Квантовый бит (кубит) может быть одновременно и в состояниях «0» и «1», и во всех их комбинациях. Кубит — это элементарная единица информации в квантовых вычислениях.
Конечно, с точки зрения большинства людей, это звучит совершенно невероятно, но квантовая физика открывает такую возможность. Именно она позволяет квантовому компьютеру за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций быстро решать задачи, которые не по силам мощному суперкомпьютеру. Самое главное, что квантовый выбирает из множества вариантов решения по-настоящему лучший, а не просто оптимальный.
Основа традиционного компьютера — кремниевый транзистор, а на чем строится квантовый?
Руслан Юнусов: Здесь пока ситуация неопределенная. Мир еще не выбрал лучшую технологию. Сейчас конкурируют 4 варианта кубитов: на одиночных атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. У каждой платформы есть свои плюсы и минусы. Возможно, какая-то одна в конце концов вытеснит остальных конкурентов. А может, останутся все, и каждая окажется наилучшей для определенного класса задач.
Ваше превосходство
О фантастических возможностях квантового компьютера говорят лет 40, но вот о кардинальных прорывах не слышно. Зато есть достаточно авторитетные скептики, которые утверждают, что он вообще никогда не будет создан. Что это игрушка, которой морочат голову и умело выбивают огромные деньги, удовлетворяя собственное любопытство.
Руслан Юнусов: Да, такое мнение существует. Но скептики всегда были, есть и будут. Это нормально. Напомню, что сама идея квантового компьютера была сформулирована в 80-е годы, а первые кубиты появились только через 20 лет, на рубеже 2000-х годов. Прошло еще 20 лет, и сейчас лидеры делают вычислители с сотнями кубитов. Что касается глобальных достижений, то за последние годы произошло как минимум несколько. Так, группы в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства.
Превосходства над чем?
Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут. Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу.
Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в «люди»?
Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен. Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит.
Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы?
Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема — надежность. И она сейчас является ключевой. Почему? Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга. Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления. Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые. Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия.
Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся. Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло. Важно, что таких примеров становится все больше.
У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16. Грустная цифра.
Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем. Сейчас ситуация кардинально иная. Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное — есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов. А также достичь квантового превосходства.
На самом деле число кубитов — не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов. Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему. Реализовав «дорожную карту», рассчитанную до конца 2024 года, значительно сократим отставание от лидеров. Сейчас разрабатывается новая концепция на период 2025-2030 годов.
Лидеры обещают к 2030 году создать квантовый компьютер, который сможет решать самые разные практические задачи. А что планируем мы?
Руслан Юнусов: Говорить об этом еще рано, работа над концепцией только началась. Ее разрабатывают многие институты, вузы и корпорации. Крайне важно, что мы ощущаем полную поддержку со стороны государства. Все понимают значение этих работ для страны, для ее безопасности и суверенитета.
Как санкции повлияли на наши работы?
Руслан Юнусов: По ряду позиций потеряем 1,5-2 года. Но ситуация некритичная. Преодолеем. Главное, что у нас много талантливых молодых сотрудников, которые, несмотря на все тревоги, продолжают работать.
Руслан Юнусов родился в 1976 году в башкирском городе Дюртюли. Окончил с отличием физфак МГУ. Он кандидат физико-математических наук. С 2012 года — сооснователь Российского квантового центра, одного из ключевых в области квантовых технологий. Юнусов объединил в центре более 500 ведущих российских и зарубежных специалистов, создав 19 научных групп и проектов, 8 стартапов, 17 лабораторий. Результаты работы РКЦ признаны в мировом сообществе и опубликованы в ведущих научных журналах, в том числе в Nature и Science. В 2016 году центр вел пилотный проект первой в России линии квантовой защищенной связи между банками, а в 2017-м тестировал первую в стране межкорпоративную квантовую сеть и запустил первый в мире квантовый блокчейн.
Квантовые компьютеры в России и мире: как развивается технология
Пионер отрасли, канадская D-Wave, в 2020 году начала предлагать работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако. Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.
Google после презентации Sycamore заявила, что потратит несколько миллиардов долларов на создание к 2029 году коммерческого квантового компьютера. Компания планирует предлагать свои услуги через облако. Google хочет создать машину на миллион кубитов, а ее текущие системы включают менее 100 кубитов.
Компактные решения
В январе 2019 года IBM объявила о выпуске Quantrum System One, первой в мире модели квантового компьютера для бизнеса. Устройство помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.
Осенью 2020 года IBM представила дорожную карту развития своих квантовых компьютеров. Компания собирается в 2023 году создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором. Долгосрочная цель — построить квантовую систему на миллион кубитов. Компания считает, что появление систем с 1000 кубитами снимет ограничения для коммерческого использования квантовых систем.
В 2021 году IBM запустила первый Q System One за пределами США, в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.
Контролируемые кубиты
Intel в январе 2018 года объявила о поставке тестового квантового процессора с 49 кубитами под названием Tangle Lake. Но более интересна работа другого подразделения компании, которое пытается разработать кубиты из традиционного кремния. Толщина таких кубитов составляет всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это открывает возможности для производства крошечных квантовых процессоров с миллионами кубитов, которые можно охлаждать почти до абсолютного нуля. Кстати, компания работает и над этим. Инженеры Intel совместно с компанией QuTech разрабатывают систему контроля «горячих» кубитов с температурой чуть больше –272,15ºC. Кроме того, Intel в 2019 году показала контроллер кубитов Horse Ridge, который может работать даже при очень низких температурах и выдерживает охлаждение до −269 ºC. Horse Ridge в будущем поможет масштабировать многокубитовые квантовые системы.
Дешевые системы
А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology в 2021 году представил квантовый компьютер стоимостью всего около $ 5 тысяч. По размеру он почти такой же, как системный блок обычного ПК.
Система разработана для школ и колледжей и умеет оперировать только двумя кубитами. Поставки первых SpinQ уже идут в Тайвань, Гонконг и Осло. Разработчики надеются, что системы позволят ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей.
Амбициозные стартапы
Инвесторы верят в будущее квантовых систем. Летом 2021 года калифорнийский стартап PsiQuantum смог привлечь $ 450 млн на создание квантового компьютера с миллионом кубитов, даже не имея рабочего прототипа. Эта сумма больше, чем все инвестиции в область квантовых вычислений в 2019 году в США. PsiQuantum планирует разработать и наладить производство квантовых компьютеров на базе фотонов. А другой стартап под названием Rigetti уже собрал 19-кубитный сверхпроводниковый процессор, который доступен онлайн через свою среду разработки под названием Forest.
Российские разработки
Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», рассказал, что в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на основе сверхпроводящих кубитов. А в 2018 году начался пилотный проект по развитию двух других платформ квантовых вычислений: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.
Специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.
Они планируют создать действующий образец квантового процессора на сверхпроводниках к концу 2024 года.
Пятикубитный прототип процессора продемонстрировали также в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.
В июне 2021 года Российский квантовый центр, НИТУ «МИСиС», Университет ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатом и Институт Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов.
Кроме того, ученые из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали миниатюрные источники оптических гребенок. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах.
Российские ученые работают и над специализированным облачным софтом. В апреле 2021 года Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений, которая позволяет решать прикладные бизнес-задачи на квантовых процессорах без специальных знаний в квантовой механике. Свою собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.
«На сегодняшний день основным заказчиком квантовых технологий в России является государство — во многом это объясняется стратегической важностью квантов. Тем не менее, квантовые вычисления будут полезны бизнесу, обрабатывающему большое количество данных и решающему сложные расчетные задачи. Например, в области финансов и инвестиций, энергетики, транспорта, логистики, химии и фармацевтики», — подчеркивает Юнусов.