Будущее наступило: когда без квантовых компьютеров не получится обойтись
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».
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.
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.
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.
Тематический проект о российской винодельческой культуре, вине и спиртных напитках
