«Квантовый компьютер в сравнении с классическим — это атомная бомба в сравнении с калькулятором». Физик-теоретик Алексей Федоров — о значении квантового превосходства и роли российской науки в этой сфере
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 это за «квант»?
Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.
Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.
В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.
Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.
Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.
Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.
Сверхпроводники
Сегодня вперед вырвались квантовые компьютеры на базе сверхпроводников. Физика сверхпроводников хорошо изучена, поэтому IBM, Google и D-Wave используют эту технологию. В сообщении Google о достигнутом квантовом превосходстве речь шла именно о процессоре на базе сверхпроводников.
«Кубиты просто электрические цепи, — говорит научный сотрудник группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» Российского квантового центра Илья Беседин. — Единственное отличие от нелинейного колебательного контура, который проходят в школе, то, что в качестве нелинейной индуктивности используется джозефсоновский контакт — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника». И если в классической электронике все состоит из транзисторов, то в сверхпроводниковой электронике все делают из джозефсоновских контактов, которые являются хорошими нелинейными элементами.
В качестве сверхпроводника используется алюминий, который становится сверхпроводящим при температуре 1,2 градуса Кельвина. Для того чтобы кубиты работали, требуются очень низкие температуры. У всех платформ есть некоторая технология, которая выключает взаимодействие с окружением. В сверхпроводниках — сверхнизкие температуры.
«Рабочая температура нашей установки — 0,01 градуса Кельвина, — говорит Илья. — С этой температурой особенно проблем нет: существуют промышленные криостаты, которые создают нужные условия. Их можно купить, в отличие от маленького чипа, который и обеспечивает квантовые вычисления». Такой компьютер в мобильные телефоны точно не интегрируешь, но и зачем? IBM, Google и Intel просто предоставляют облачный доступ к квантовым компьютерам. Это выгодно, даже если у вас обычный суперкомпьютер, а если квантовый — тем более. «Ничего особо не выиграешь, если у тебя квантовый телефон, — смеется Илья, — трудно представить задачи, которые он мог бы решать и которые не могут подождать соединения с облаком».
Разработка модели квантового компьютера в лаборатории компании Intel. Фото: Walden Kirsch / Intel Corporation
Переопределение безопасности
Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени.
С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием.
Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров — наиболее известными являются алгоритм Гровера для поиска в неструктурированной базе данных и алгоритм Шора для факторизации больших чисел.
Проблемы квантовых машин
Одно из главных препятствий на пути внедрения квантовых вычислителей – их очень большая чувствительность к помехам. Малейшее изменение температуры, лишний электрон или попадания космического излучения вызывают изменение квантового состояния кубита, что уничтожает информацию в нем.
Преодолеть эти проблемы мешает то, что они требуют не только новых подходов, но и другого типа мышления. «Квантовая механика – это фундаментальная микроскопическая язык вселенной. Она ней разговаривает сама с собой, однако мы мыслим иначе. Люди похожи на классические компьютеры, – говорит Фридман. – Развитие квантовых машин требует изменить стиль мышления классической модели на язык вселенной».
Квантовые компьютеры пытаются создать во многих лабораториях мира, однако в Microsoft это делают с таким расчетом, чтобы в конце можно было изготовить практичный продукт. Для этого ее ученые не пытаются построить кубит на основе фиксирования спина электрона, как другие. Они разработали новый подход с коррекцией ошибок, который активно манипулирует кубитами.
«Все в мире является квантовой механикой, – говорит Санкар Дас Сарма (Sankar Das Sarma). Он преподает физику конденсированной материи в Университете Мэриленда и вместе с учеными Microsoft занимается квантовым компьютером. – Мы просто пытаемся отойти от пассивного использования квантовых законов к активному для создания чего-то революционного».
Подход, который разрабатывают ученые, позволит уменьшить влияние внешних помех на кубиты. Сегодня квантовые компьютеры напоминают пирамиду: достаточно нарушить один кирпич, и разрушится все здание. За это сохранена в кубитах информация теряется навсегда. В Microsoft пытаются сделать так, чтобы повреждение одного кубита не влияло на другие.
Биты — убиты
— А вы можете объяснить для профана-гуманитария — в чем главное отличие квантового компьютера от обычного. На пальцах, что называется. Я постараюсь напрячь мозг.
— Давайте попробуем (улыбается). В обычном компьютере вся информация зашифрована в битах. 1 бит — 1 единица информации. А биты, в свою очередь, состоят из одних только нулей и единичек. Все, что содержится в вашем планшете, смартфоне, ноутбуке, тексты, фото, картинки — все зашифровано с помощью единиц и нулей. Которые — внимание! — могут составлять одномоментно лишь одно состояние, пусть даже и сложное. Для 10 битов, например, 1001101010.
В КК вся информация зашифрована в кубитах (к слову «биты» просто добавлена приставка «ку» — от английского слова quantum, что означает «квант»). В роли этих кубитов могут выступать или атомы редкоземельных металлов итербия, тулия, или частицы света фотоны, или ионы — заряженные атомы, «потерявшие» или, наоборот, «приобретшие» один или несколько электронов. Или просто электрические цепи в сверхпроводниках.
Все эти атомы или фотоны в квантовом мире могут быть там и тут одновременно. И единицей, и нулем. Это называется суперпозицией. Обычный компьютер оперирует только одним состоянием. А квантовый. У него возможных состояний 2 в той степени, сколько заложено в нем кубитов. Если кубитов 10, то он одновременно в 1024 состояниях, а если всего лишь 300, то 2 в 300-й степени — это больше, чем атомов во всей Вселенной, можете себе такое представить? КК «соображает» сразу на всех уровнях. Параллельно. Поэтому он всегда будет на голову выше любого обычного компьютера, пусть даже и с приставкой «супер». Можно и дальше углубляться в странные законы квантового мира, например, для КК нужна еще и квантовая запутанность. Слышали про такое?
— Ну, кто ж не знает про квантовую запутанность. Кстати, не так давно ученые из Шанхайского университета представили КК «Цзючжан», который, как они заявили, является на сегодняшний день самым мощным квантовым компьютером. Во время демонстрации он всего за несколько минут решил задачу по отбору проб гауссовских бозонов. Это я цитирую информационное агентство, не пугайтесь моей грамотности. С подобной задачей самый мощный современный суперкомпьютер справился бы только за 2,5 миллиарда лет. Получается — КК уже создан, гонка завершилась?
— Что вы, только начинается. Китайский продукт — это не полноценный, не универсальный квантовый компьютер. Он так называемый симулятор, который предназначен лишь для демонстрации «квантового превосходства». Другими словами, «Цзючжан» делает на публике то, чего никогда не сможет сделать обычный суперкомпьютер, пусть даже с миллионами ядер. В прошлом году, кстати, Google представила свой прототип КК — Sycamore. Китайские ученые сообщили, что скорость вычислений их КК в 10 миллиардов раз выше, чем гугловского. Но последний уже программируется, то есть может решать разные задачи, а китайский нет. Что, конечно, никак не умаляет заслуг шанхайских ученых. К слову, один из руководителей программы, профессор Лю Чаоян сказал, что создание КК — это гонка не между странами, а между человечеством и природой. Очень точное замечание.
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Раз мы уж заговорили о квантовой физике, давайте немножко поговорим о ней. Я не буду углубляться в дебри друзья. Я ведь «чайник», а не квантовый физик. Лет сто назад Энштейн опубликовал свою теорию относительности. Все умные люди того времени удивлялись, как много в ней парадоксов и невероятных вещей. Так вот, все пародоксы Энштейна, описывающие законы нашего мира — просто невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что твориться на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики», описывающие явления происходящие на уровнях электронов и молекул говорят примерно так: » Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как это все работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и записи экспериментов.»
Так в чем же разница между обычным и квантовым компьютером? Ведь обычный компьютер тоже работает на электричестве, а электричество — это куча очень маленьких частиц — электронов?
Наши с Вами компьютеры работают по принципу или «Да» или «Нет». Если есть ток в проводе, это «Да»или «Единица». Если тока в проводе «Нет», то это «Ноль». Вариант значения «1 «и «0» есть единица хранения информации под названием «Бит».. Один байт это 8 бит и так далее и так далее…
Теперь представьте ваш процессор, на котором 800 миллионов таких «проводов» на каждом из которых за секунду появляется и исчезает такой вот «ноль» или «единица». И вы мысленно можете вообразить, как он обрабатывает информацию. Вы сейчас читаете текст, но на самом деле это совокупность нулей и единиц.
Путем перебора и вычислений Ваш компьютер обрабатывает Ваши запросы в Яндексе, ищет нужные до тех пор, пока не решит задачу и путем исключения не докопается до нужной Вам . Выводит на монитор шрифты, картинки в читаемом для нас виде… Пока надеюсь ничего сложного? А картинка — это тоже нули и единицы.
Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.
Так вот, модель атома то же планетарная, там атом тоже вращается вокруг ядра. Но ДОКАЗАНО, друзья, умными парнями в очках, что атом в отличии от Земли одновременно и всегда находится во всех местах..Везде и нигде одновременно. И назвали они это замечательное явление «суперпозицией». Для того, чтобы познакомится поближе и другими явлениями квантовой физики, предлагаю глянуть научно-популярный фильм, где простым языком рассказывается о сложном и в довольно оригинальной форме.
Продолжим. И вот на смену «нашему» биту приходит квантовый бит. Его еще называют «Кубит». У него то же всего два исходных состояния «ноль» и «единица». Но, так как природа его «квантовая», то он может ОДНОВРЕМЕННО принимать все возможные промежуточные значения. И одновременно находиться в них. Теперь значения не надо последовательно вычислять, перебирать. долго искать в базе. Они известны уже заранее, сразу. Вычисления идут параллельно.
Первые «квантовые» алгоритмы для математических вычислений были придуманы еще математиком из Англии Питером Шором в 1997 году. Когда он показал их миру, все шифровальщики здорово напряглись, так как существующие шифры «раскалываются» этим алгоритмом за несколько минут.. Вот только компьютеров, работающих по квантовому алгоритму тогда еще не было.
С тех пор с одной стороны идет работа по созданию физической системы, в которой бы работал квантовый бит. То есть «железа». А с другой стороны уже придумывают защиту от квантового взлома и расшифровки данных.
А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.
Неужели они нас обогнали? 9 кубит или по «старому» 15 бит, это не так много пока еще. Плюс дороговизна, масса технических проблем и короткое время «жизни» квантов. Но вспомните что сначала были 8 битные, потом появились 16 битные процессоры… Так будет и с этими …
Все решения уже известны
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию
Китайский связной
Google и IBM конкурируют в развитии квантовых вычислений с Microsoft, Intel, Honeywell и другими крупными американскими IT-игроками. А вот в квантовых коммуникациях первенство пока что уверенно держат исследователи из Китая. В 2017 году Китайская академия наук запустила первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы», успешно обеспечивший межконтинентальный канал передачи между Пекином и Веной. В том же году китайские ученые запустили первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяженностью свыше 2 тыс. км, соединившую Пекин и Шанхай.
Правда, оба канала используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объемы информации. Связано это с тем, что из-за инженерных сложностей на значительные расстояния удается успешно пересылать лишь очень небольшое количество запутанных частиц.
Впрочем, в феврале 2020 года научно-исследовательская группа под руководством Пан Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая (г. Хэфэй) добилась прорывных результатов в повышении пропускной способности квантовой связи. Им удалось повысить число фотонов, успешно добирающихся до «адресата» по оптоволоконной линии в 50 км, с 1 из 100 000 000 000 000 000 (100 квадриллионов) до 1 из 100.
«Китай на сегодняшний день без сомнения является лидером в квантовой связи,— отмечает Юнусов.— Их недавние результаты по запутыванию частиц — это большой шаг к созданию квантовых ретрансляторов, необходимых для организации полноценного квантового интернета, в котором возможна защита всей передаваемой информации от взлома. Станет ли квантовый интернет глобальным явлением? Думаю, что да, но говорить об этом еще очень рано. Его время придет с развитием квантовых вычислений, когда такая сеть сможет решать не только вопросы безопасности, но и позволит соединять квантовые компьютеры».
