«Очевидных решений в этой области нет»: эксперты — о прорывах в сфере квантовых вычислений
- Gettyimages.ru
— Давайте начнём с того, что такое квантовые компьютеры и чем они отличаются от классических?
Доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ им А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ, ведущий научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Алексей Вагов:
— Классический компьютер основан на машине Тьюринга. Так называется умозрительная математическая концепция, согласно которой любые вычисления сводятся в итоге к элементарным операциям с нулём и единицей.
Квантовый же компьютер основан на явлении из области квантовой механики — квантовой суперпозиции. Явление квантовой суперпозиции можно сравнить с вращением монеты. Бит — это «орёл» либо «решка», а квантовый кубит — это когда монетка крутится, и вы не можете сказать точно, в каком положении она находится. В квантовой механике это свойство элементарных частиц находиться одновременно сразу во многих положениях.
Естественно, что это позволяет многократно повысить производительность вычислений. Так, если обычный компьютер решает задачу миллионы лет, то квантовый — за считанные часы. Это называется квантовым превосходством, достичь которого сейчас стремятся все исследовательские группы по всему миру. Что это возможно, в 1990-х годах доказали физики Дэвид Дойч и Питер Шор.
— Новости о разработках в сфере квантовых вычислений появляются практически каждую неделю. Среди последних — процессор Ocelot от Amazon и чип Majorana 1, созданный в Microsoft, где представлены топологические кубиты.
— В МФТИ ведётся работа в том же направлении, которое разрабатывает Microsoft, только последняя занимается этим уже более 20 лет. Поэтому им удалось создать чип Majorana 1. Он основан на собственной физической архитектуре: это очень тонкая сверхпроводящая проволочка, которая накладывается на особый материал — топологический изолятор. Он не проводит ток, а на поверхности у него есть некоторые физические состояния электронов, которые связываются с проволочкой. И оказывается, что по краям проволочки возникают майорановские состояния (когда элементарная частица является собственной античастицей. — RT). Они отделены от других энергетической щелью: чтобы изменить их состояние, требуется большое количество энергии, поэтому они становятся устойчивыми.
- Чип Majorana 1 от Microsoft
- © Microsoft
И это крайне важно, поскольку сегодня сложнее всего получить именно квантовую когерентную устойчивость. Это одно из основных препятствий на пути создания квантового компьютера, потому что квантовые состояния очень легко разрушаются при воздействии среды.
Но проблема в том, что пока сделана буквально одна проволочка, и не доказано, что удалось получить именно майорановские, топологически защищённые состояния. Так что и Microsoft до создания реального чипа пока очень далеко.
Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий международной лабораторией физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Юрий Махлин:
— Сложилась несколько странная ситуация, поскольку в корпоративной и научной среде различаются традиции обращения с информацией: Microsoft выпустила одновременно пресс-релиз и научную статью, практически не связанные между собой. Мы можем опираться только на подробности в научной публикации.
Предполагается, что в квантовый бит можно записать информацию, обработать её и считать. И эта научная статья описывает последний шаг: когда удастся создать майораны и топологический кубит — на этот случай уже готов высококачественный прибор для считывания информации.
Но, в отличие от пресс-релиза, в самой статье речь об обнаружении майорановских фермионов и о создании кубита, а тем более о том, что через несколько лет можно будет создать миллионы кубитов, не идёт. Если Microsoft опубликует новые результаты, их можно будет обсуждать.
— Для квантовых компьютеров разрабатываются различные физические архитектуры. Какие направления наиболее перспективны?
А.В.:Сейчас рассматривается несколько физических систем, на которых можно делать квантовые компьютеры. Один принцип подразумевает использование ионов или нейтральных атомов, которые помещаются в ловушку — магнитное поле, где ионами манипулируют с помощью лазера. Такие устройства содержат самое большое количество кубитов, но это не чип, а целая лаборатория.
Второй, очень многообещающий принцип, — сверхпроводящие флюоксониевые кубиты, основанные на Джозефсоновских контактах: когда куперовские пары электронов могут проникнуть из одного проводника в другой через тонкий слой изолятора. Однако для такого компьютера тоже нужно создавать целую лабораторию, причём ультрахолодную. Это одно из направлений разработок компании D-Wave. У них действительно получилось соединить очень много таких кубитов, но это не универсальный квантовый компьютер, он решает очень узкоспециализированные задачи.
Ещё есть фотонные квантовые компьютеры, тоже достаточно громоздкие и большие — это стол, на котором размещаются оптические элементы: зеркала, размножители. Были попытки сделать квантовый компьютер на квантовых точках — полупроводниковые приборы, где создаются определённые дефекты, и они играют роль кубитов.
А вот Majorana 1 действительно задуман как чип. По сути, основная задача — создать не просто квантовый компьютер с несколькими кубитами, а систему, которую можно уменьшать в размерах и увеличивать количество её элементов.
Ю.М.: Очевидных решений в этой области нет — есть исторически сложившиеся подходы к разработке квантового компьютера. Пока трудно сказать, какой из подходов или их сочетание окажется наиболее успешным в долгосрочной перспективе.
— Зимой 2024 года в Google сообщили, что достигли устойчивой коррекции ошибок путём логических решений. Это касается разных типов квантовых компьютеров?
А.В.: Чтобы снизить процент ошибок, нужно работать и над физическими параметрами, и над логической архитектурной. Вообще, ошибки возникают и при работе обычного компьютера, и они тоже нуждаются в коррекции. При расчётах на квантовых компьютерах сейчас примерно три ошибки на 10 тыс. операций. Еще пять лет назад их было около 200.
Сейчас мы, скорее, тестируем концепции «железок», на которых это будет делаться, и вычислений. Пока многие вычисления делают буквально на нескольких кубитах. А системы на тысячи кубитов могут использоваться для решения очень специфических задач.
Ю.М.: Концептуально у всех кубитов есть общая проблема: чтобы они выполняли нужные операции, ими надо управлять. В процессе кубиты улавливают не только запланированные, но и случайные сигналы, потому возникают ошибки.
Поначалу казалось, что эта проблема ставит крест на идее квантовых вычислений. Был найден способ обнаруживать и исправлять эти ошибки, но для этого требуется добавлять к каждому кубиту вспомогательные кубиты, а к каждому шагу алгоритмов — большое количество дополнительных шагов. Это сильно усложняет систему, требования к количеству квантовой памяти и времени работы.
А в случае с топологическими кубитами для обнаружения и исправления ошибок используются законы природы: система разработана так, что она не допускает возникновения ошибок. Создание одного такого кубита гораздо сложнее, зато для вычислений их понадобится гораздо меньше.
— Какие именно задачи сможет решать квантовый компьютер?
А.В.: Есть два класса задач, которые, как предполагается, будут решать квантовые компьютеры.
Первое — моделирование физической системы квантовых взаимодействий. Это важно для развития фундаментальной физики, квантовой механики. Именно для решения подобных задач в начале 1980-х годов Фейнман предложил создать квантовый компьютер.
Второе — собственно вычисления. Так называемые специальные алгоритмы, которые дают огромное ускорение в производительности или в скорости вычислений на квантовых компьютерах. Самый примечательный — алгоритм Шора для разложения числа на простые числа, которое используется в банковских операциях шифрования. Если удастся создать квантовый компьютер для этих задач, современные алгоритмы шифрования станут бесполезными. Поэтому военные, финансисты, а также технологические компании, занятые связью, проявляют самый пристальный интерес к квантовым технологиям.
- Gettyimages.ru
Ю.М.: Квантовые компьютеры по сравнению с обычными могут очень эффективно решать задачи квантовой механики. К ним в том числе относятся задачи создания новых материалов. Это могут быть лекарства в медицинской сфере, упомянутые в пресс-релизе препараты для сельского хозяйства, сверхпрочные и самовосстанавливающиеся материалы, или, скажем, высокотемпературные сверхпроводники, которые способны без потерь проводить ток при комнатной температуре (обычно явление сверхпроводимости наблюдается при экстремально низких температурах. — RT).
Подобные задачи можно решить на обычном компьютере, но это потребует бесконечно много времени и очень больших объёмов памяти. А квантовые системы для этого приспособлены.
Известны и некоторые другие применения квантовых компьютеров, но полного представления о том, в каких задачах они эффективнее обычных, у нас действительно нет. И это тоже большая задача, которая будет решаться по ходу дальнейшего развития этой области.
— Можно ли будет использовать квантовый компьютер для защиты данных?
А.В.: Защитой данных, передачей квантовых ключей занимается квантовая криптография. Это наиболее продвинутый раздел квантовых технологий. Всего их три: квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовые сенсоры. Из них квантовый компьютер пока самый неразвитый. Квантовая связь уже действует, квантовые сенсоры ищут полезные ископаемые.
«Их значимость будет только расти»: химик — о ценности редкозёмов и их значении для мировой промышленности и политики
— А как устроены квантовые сенсоры?
— С их помощью возможно очень точно измерить магнитные поля и гравитацию. Можно составить полную карту Земли или найти месторождения полезных ископаемых, тонко измерив конфигурацию магнитного поля через изменение квантовых состояний, и приложив программу искусственного интеллекта, которая обработает большой массив данных.
Это тоже огромное направление разработок, которое уже коммерциализируется. Есть частные компании, которые начали производить квантовые сенсоры. У нас этим интересуется «Газпромнефть». Сейчас уже даже идёт речь о том, чтобы наводить ракеты с помощью квантовых сенсоров.
— Насколько громкие заявления о научных прорывах в области квантовых вычислений заслуживают доверия?
— К любым утверждениям нужно относиться настороженно. Но прогресс идёт. Тестируются технологии, алгоритмы. Например, квантовый компьютер может быть использован для распознавания образов. Уже есть программы квантового машинного обучения: комбинация квантовой нейросети и квантового компьютера. Это многообещающая вещь, потому что она гораздо менее чувствительна к ошибкам.
Есть поводы для оптимизма, а есть — для скептицизма.
Но если квантовые вычисления будут успешно развиваться, а с ними серьёзно продвинутся вперёд распознавание образов или машинное обучение — велик риск отстать, если игнорировать эти технологии.
— Как продвигаются разработки в сфере квантовых вычислений, всегда ли это движение вперёд? Новые данные не показывают, что получить результат сложнее, чем ожидалось?
А.В.: Я занимаюсь этим направлением с начала 2000-х, и сколько помню, полноценный квантовый компьютер всегда находится от нас всего в пяти годах. Все надеются, что примерно за этот срок получится его, наконец-то создать, но сроки постоянно сдвигаются. Однако прогресс всё равно есть, и существенный. Так, 25 лет назад основной задачей было создание хотя бы одного кубита, а кроме того, учёные только учились манипулировать квантовыми состояниями без потери квантовой когерентности. Очень многие даже не верили, что это возможно, а сегодня это давно стало реальностью.
Ю.М.:Я занимался сверхпроводниковыми кубитами с момента их появления. Это было очень интересное время, когда мы предложили систему, которая могла функционировать как квантовый бит. И всего через несколько месяцев коллеги-экспериментаторы смогли реализовать такую систему и продемонстрировать первый работающий сверхпроводниковый кубит в мире — это было поразительно, теоретикам нечасто так везёт.
- Форум будущих технологий «Вычисления и связь. Квантовый мир», Москва, Россия
- Legion-Media
- © Комсомольская правда / PhotoXPress.ru
Безусловно, создание квантового компьютера — задача огромной сложности в научно-техническом и организационном плане. Это было понятно с самого начала, и по ходу работы мы сталкиваемся с новыми проблемами, которые стараемся преодолевать. Это интересно и полезно поскольку в процессе безусловно будут сделаны новые открытия и появятся непредвиденные технологии в качестве побочного продукта.
Торопиться с заявлениями о том, что через несколько лет квантовый компьютер будет построен, я бы не стал. При этом за время работы в этой области я много раз ловил себя на мысли, что продвижение оказывалось быстрее, чем я ожидал.
Я смотрю на ситуацию оптимистично. И приятно, когда наша работа как научного сообщества приносит видимые результаты, продвигается вперёд — на мой взгляд, вполне успешно.
— Когда квантовый компьютер появится, можно ли будет использовать с ним привычные устройства и интерфейсы?
А.В.: Квантовые вычисления делаются так: приготовляется квантовое состояние, над ним проводится некая операция, проводится измерение, а результат считывается обычными приборами. Квантовый компьютер подключен к интерфейсу, им можно воспользоваться через облако.
— Какие разработки в данной области сейчас ведутся в России? По какому пути идут учёные и насколько продвинулись?
— Россия — одна из очень немногих стран (их меньше десятка), где есть весь спектр своих квантовых технологий и ведётся разработка квантового компьютера. Уже сделаны системы из 50 кубитов на ионах и из 12 сверхпроводящих кубитов.
Мы отстаём, но ненамного, а кое-где находимся почти на уровне зарубежных коллег. Мы позже начали, потому что у нас в научной среде больше скептиков. Эта проблема проистекает из образовательного подхода, потому что в наших учебниках физики традиционно уделялось мало внимания фундаментальным основам квантовой механики.
Сейчас у нас есть Российский Квантовый Центр, ФИАН, Росатом, Институт Духова, Физтех, МГУ. У нас очень хорошие математики, а математическое обоснование передачи данных, квантовых вычислений — это целая отрасль новой квантовой математики. Теория квантовой криптографии у нас очень сильная. Конечно, у нас пока нет 1 тыс. кубитов, но вскоре мы можем получить 100 — думаю, этот процесс пойдёт быстро.
