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.
Российские и американские ученые из Гарвардского университета, работающие в группе Михаила Лукина, создали квантовый компьютер из 51 кубита, самый мощный на сегодня в мире. Об этом сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) профессор Лукин сообщил в своем докладе на Международной конференции по квантовым технологиям (ICQT-2017), которая прошла в июле в Москве под эгидой РКЦ.
В отличие от классических цифровых компьютеров, у которых память построена на принципе двоичного кода (0 или 1, «да» или «нет»), квантовые компьютеры строят на основе кубитов - квантовых битов. Они тоже допускают два состояния (0 и 1), но благодаря своим квантовым свойствам кубит дополнительно допускает еще и состояния суперпозиции, то есть, условно говоря, еще массу промежуточных состояний между двумя основными состояниями, описываемых комплексными (мнимыми) числами. Понятно, что при таких условиях мощность и быстродействие квантового компьютера на несколько порядков выше.
Саму идею использовать квантовые вычисления для решения чисто математических задач предложил еще в 1980 году Юрий Манин из Института имени Стеклова, а год спустя принцип построения квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман. Но прошли десятилетия, прежде чем появились технологии, способные реализовать их идеи на практике.
Главной проблемой было создать устойчиво работающие кубиты. Группа Лукина использовала для них не сверхпроводники, а так называемые холодные атомы, которые удерживаются внутри лазерных ловушек при сверхнизких температурах. Это позволило физикам создать самый большой в мире квантовый вычислитель из 51 кубита и обойти своих коллег группы Кристофера Монро из университета штата Мэриленд (5-кубитныое устройство) и группы Джона Мартиниса из компании Google (22-кубитное устройство).
Образно говоря, при строительстве кубитного компьютера физики вернулись от цифровых к аналоговым устройствам первой половины прошлого века. Теперь их задача - перейти к «цифре» на новом, квантовом уровне. Используя набор кубитов на основе «холодных атомов», команда Лукина уже смогла решить несколько частных физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи классических компьютеров.
В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Помимо решения чисто научных задач из области квантовой механики профессор Лукин не исключает, что его команда попытается реализовать на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, перед которым бессильны существующие ныне системы шифрования. Но и других практических областей, где новое поколение компьютеров могло бы произвести революцию, множество. Например, гидрометеорология, где сейчас явно не хватает мощности существующих вычислительных устройств для повышения точности прогнозов погоды.
Квантовые компьютеры делают первые шаги, но не за горами время, когда они станут такой же обыденностью, как нынешние ПК.
В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - 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. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».
Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».
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.
В июле 2016 года компания Lockheed Martin увеличила производительность своего Центра квантовых вычислений (находится в Институте научной информации, США) за счет 1098 кубитов. Компания, занимающаяся разработкой систем безопасности и аэрокосмическими технологиями, вот уже в течение шести с половиной лет интересуется сферой квантовых вычислений. Оно и неудивительно. В ближайшие 20 лет эта технология обещает оказать серьезное влияние практически на все, что только можно, начиная от проектов академических исследований и заканчивая виртуальной кибербезопасностью.
Квантовый скачок
Lockheed Martin доказывает, что преимущества квантовых вычислений можно получить уже сейчас, даже несмотря на то, что настоящих полноценных функционирующих квантовых компьютеров еще не создано.
Первой квантовой системой, которую Lockheed Martin купила у компании D-Wave Systems, был компьютер «Rainier», работающий на базе 128 кубитов и известный также под названием D-Wave One. Позже систему заменили на компьютер «Vesuvius» с 512 кубитами на борту, который, в свою очередь, совсем недавно был заменен еще более продвинутой системой D-Wave 2X с поддержкой уже 1152 кубитов.
«Это коммерчески доступный компьютер. Вы правда можете купить себе такой, если хотите. Но на самом деле это больше экспериментальная система, предназначенная для научных разработок и исследований», — говорит Грег Таллант, глава Центра квантовых вычислений компании Lockheed Martin.
«Она не является системой, готовой для массового рынка, но если хотите, то вы можете купить ее и использовать почти так же, как вы используете обычные компьютеры».
Чуть позже вы поймете, почему слово «почти» здесь имеет решающее значение.
Перед собственно самой покупкой представители Lockheed Martin несколько раз посещали главный офис компании D-Wave в Ванкувере. Система, по мнению специалистов, показала себя «многообещающей», и поэтому было решено приобрести один компьютер. Следующим шагом было подписание соглашения о сотрудничестве с Университетом Южной Калифорнии. Одним из результатов сотрудничества стало строительство Центра квантовых вычислений.
Подписанное соглашение позволяет Университету Южной Калифорнии использовать систему для своих исследований и проводить тесты компьютера. Lockheed Martin, в свою очередь, может использовать эту информацию для исследования вопроса перспективного использования технологий квантовых вычислений в различных сферах.
Основной сферой применения подобной квантовой системы изначально рассматривалась проверка и подтверждение работоспособности других готовых программных продуктов. Однако диапазон интересующих направлений решено было увеличить. Важнейшей новой сферой в списке интересов, пожалуй, является машинное обучение, однако систему также рассматривают в качестве мощного инструмента для планирования и прогнозирования.
«С увеличением числа необходимых для решения задач, связанных с отдельно взятой гипотетической растущей проблемой, увеличивается и число возможностей, которые следует рассмотреть для решения этой проблемы», — объясняет Таллант.
«Пример такой задачи можно рассмотреть на классической «задаче коммивояжера» в направлении комбинаторной оптимизации».
Задача коммивояжера заключается в отыскивании самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Эту задачу можно решить и с помощью нынешних компьютеров, однако квантовые аппаратные средства потенциально способны многократно повысить скорость вычислений, особенно в случае если число этих городов в задаче будет постоянно увеличиваться.
Компьютер D-Wave
Талланту и его команде пока не довелось продемонстрировать преимущества их системы D-Wave над классическими компьютерами при решении этой задачи, однако шаг вперед уже сделан. Как сделана и ставка на будущие технологические свершения с помощью самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера с 1152 кубитами на борту, который компания приобрела в июле этого года.
Самый мощный?
«Здесь есть некоторая особенность», — говорит Таллант.
«Нынешний чип, использующийся в системе, обладает 1152 кубитами. Однако когда вы собираете подобные системы, то необходимо провести калибровочный процесс. В рамках этого процесса некоторые кубиты могут не пройти проверку и, следовательно, в дальнейшем не могут использоваться в вычислительных процессах».
Другими словами, купили вы, скажем, смартфон на 32 гигабайта внутренней памяти. Запускаете его впервые и обнаруживаете, что на самом деле все обещанные вам 32 гигабайта памяти вам недоступны. Они, конечно же, в устройстве имеются, но то, что находится под крышкой, и тот объем памяти, который вам доступен по факту, — это несколько разные вещи.
«Наш 1152-кубитный процессор после прохождения калибровки имеет 1098 доступных кубитов», — говорит Таллант.
«Важность числа доступных кубитов всецело связана со сложностью подзадач, которые требуется решить для поиска ответа на основной вопрос. Например, если у вас имеется всего 512 кубитов, то и сложность проблемы, с которой система сможет справиться, наиболее эффективно ограничена числом этих кубитов. В данном конкретном случае речь идет о задаче, которая может иметь 512 переменных. На практике же это число будет на порядок ниже, около 200 переменных».
В мае этого года компания IBM гордо объявила о том, что собирается открыть академикам и энтузиастам доступ к своему квантовому 5-кубитному компьютеру через веб-платформу IBM Experience. К чему фанфары IBM, в то время как D-Wave, казалось бы, уже продает квантовые компьютеры с количеством кубитов, превышающим число кубитов в системе IBM? Ответ прост: квантовый компьютер Lockheed Martin (точнее D-Wave Systems) — не совсем квантовый.
Квантовый квантовому рознь
Сердцами систем IBM и Lockheed Martin действительно являются сверхпроводящие кубиты, многообещающие элементарные носители квантовой информации, на базе которых исследователи надеются однажды создать настоящий универсальный квантовый компьютер. Слово «однажды» здесь ключевое, так как такой компьютер пока не создан.
Систему IBM нельзя рассматривать как «универсальный» квантовый компьютер, потому что машина не способна выполнять те задачи, с которыми справляются классические компьютеры. Именно особенность выполнять все задачи и будет характеризовать универсальный квантовый компьютер.
Система D-Wave, использующаяся компанией Lockheed Martin, тоже не подпадает под это определение. По сути, это скорее установка квантового отжига (нормализации), а не полноценный квантовый компьютер. Система способна справляться лишь с ограниченным числом задач.
Процессор D-Wave
«Система D-Wave — это не компьютер общего назначения. Он способен решать определенные задачи на базе алгоритмов модели Изинга», — говорит Таллант, описывая этот компьютер как «систему для оптимизированных решений» таких проблем, как, например, расчет наиболее эффективного использования ресурсов (времени и топлива, например) при наличии различных сценариев проблемы.
«В этом ключе можно говорить лишь о квантовом отжиге. Мы вносим в машину задачи, ответы на которые нам известны. После этого загружаем в нее задачи, ответы на которые нужно будет найти. После чего мы попробуем совместить информацию обеих задач. В конечном итоге на основе решений-кандидатов мы сможем получить ответ на нашу задачу».
«В некотором смысле этот способ позволяет применять известный вам метод решения задачи, даже если истинный метод решения этой задачи вам изначально неизвестен. Другими словами, вы получаете ответ на задачу, даже если не знаете, как ее решить».
Работает — и ладно
На данный момент, по сравнению с другими аналогичными системами, D-Wave может похвастаться наличием самого большого числа доступных для работы кубитов. Тем не менее радоваться пока рано, потому что перед нами не полноценная универсальная квантовая система, о которой так долго мечтают не только люди, которые занимаются созданием квантовых компьютеров, но и ученые, которые очень хотят на таких компьютерах поработать.
«Это определенно не универсальный квантовый компьютер. Это нормализатор», — говорит Таллант.
«Компьютер D-Wave не универсален. Пока современная наука пока не позволяет создать все необходимые компоненты для постройки универсальной квантовой системы. Мы и сами были бы рады получить ее в свое распоряжение».
