Переход в другую эру: что изменит изобретение квантового компьютера
Химия, криптография, лекарства: эти и другие применения квантового компьютера
— Компьютеры, на которых мы привыкли работать уже несколько десятков лет, — классические полупроводниковые. О квантовых известно одно — что это своего рода прорыв. В чем же он заключается?
Илья Семериков (И. С.): Прежде всего на квантовом компьютере можно запустить алгоритмы, которые не работают на классическом компьютере. Каким образом? Дело в том, что квантовый компьютер использует несколько свойств квантовой механики, такие как свойство суперпозиции и свойство квантовой запутанности. Именно эти свойства и позволяют запускать на квантовом компьютере алгоритмы, о которых я говорил.
Илья Заливако (И. З.): В квантовом компьютере понятие бита, который может быть равен «0» или «1», заменяется на понятие кубита, то есть квантового бита. Он может одновременно находиться в состоянии «0» и «1» в разных пропорциях. Это и есть так называемая суперпозиция. Квантовая запутанность еще более необычное свойство, заключающееся в том, что несколько кубитов оказываются связанными друг с другом и воздействие на один из них меняет их общее состояние. Эти явления и позволяют квантовому компьютеру решать ряд задач эффективнее, чем классические компьютеры.
Александр Борисенко (А. Б.): Более того, квантовый компьютер за один запуск может сразу решить целую большую задачу — дать ответы сразу для всех возможных входных значений. Но для этого квантовому компьютеру нужно правильно задавать вопросы. То есть нужно спроектировать алгоритм так, чтобы его ответ был бы приемлемым. И это отдельное сложное направление теоретических исследований.
— Что означает количество кубитов в описании квантового компьютера? И что означает рост: от двух кубитов в 2021 году до 50 кубитов в 2024 году?
И. З.: Это действительно очень важная веха, причем с различных точек зрения. Если система до 50 кубитов в целом поддается симуляции на классических вычислителях, то, примерно начиная с этой величины, такой расчет начинает требовать слишком много ресурсов. Не зря первая и почти успешная попытка достигнуть квантового превосходства была выполнена на 53-кубитном процессоре компании Google.
Лично для нас этот результат важен, так как мы научились контролировать действительно большие квантовые системы. Да, нам еще есть куда расти, особенно с точки зрения точности, но мы очень многому научились в процессе этой работы и теперь лучше понимаем, как двигаться дальше.
И. С.: Напомню, что кубит — это элементарная единица информации в квантовом компьютере. C кубитами можно выполнять многокубитные и однокубитные операции. Точность этих операций на сегодня определяет мощность квантовых компьютеров, потому что число кубитов сейчас больше, чем необходимая достоверность операций. И если мы хотим построить компьютер, который будет решать полезные задачи, нам нужно сейчас не столько повышать число кубитов, сколько поднимать достоверность, точность двухкубитной операции.
Но, прежде чем делать это, нужно было достичь некоторого числа кубитов, научиться работать с относительно большими массивами квантовой информации. Это мы и продемонстрировали. Научиться работать с 50 кубитами — это непростой и важный этап. А теперь мы занимаемся увеличением достоверности двухкубитной операции.
«Россия вошла в число шести стран — кроме нас, это Канада, США, Япония, Китай, Франция — с квантовыми вычислителями на 50 кубитов и более».
А. Б.: Кубит — это квантовый объект, у которого есть несколько уровней энергии. Достаточно иметь два кубита, которыми мы можем управлять, то есть переводить этот квантовый объект из одного состояния в другое, полностью или частично. И здесь есть специфика — квантовое состояние хрупкое, его очень легко разрушить. Поэтому эту систему надо защитить от внешней среды. Сложность состоит в том, что, с одной стороны, эта система должна быть хорошо изолирована от окружения, а с другой стороны, нужно управлять ею и контролировать ее состояние. Переход от маленького количества кубитов к большому усложняется тем, что система начинает расти и даже небольшие внешние воздействия могут приводить к ухудшению вычислений.
И. З.: Рекордная достоверность двухкубитной операции, 99,97%, была получена совсем недавно с использованием ультрахолодных ионов кальция в Великобритании. 99,97% означают, что на каждые 10 000 операций совершаются три ошибки. Полгода назад достоверность составляла 99,6%, а два года назад — 97–98%.
«Когда будет достигнута точность на уровне 99,999–99,9999% — пять или шесть «девяток», станет возможным переход от сегодняшней низкоуровневой эры квантового компьютинга к масштабируемым квантовым компьютерам».
А. Б.: На самом деле мы уже получили «три девятки», но только по однокубитным операциям. Двухкубитные операции сложнее, они затрагивают две частицы на некотором расстоянии, и мы должны передавать квантовую запутанность на расстоянии около 5 микрометров. Но мы нашли наш собственный подход — выполнять двухкубитные операции внутри одной частицы. И это наше преимущество.
— И какими же они бывают, квантовые компьютеры?
И. С.: Квантовые компьютеры бывают основаны на разных физических принципах. Самая высокая достоверность сегодня — у ионных компьютеров. Как и самая большая мощность квантового компьютера с учетом достоверности и размера регистра. В самом мощном ионном квантовом компьютере на сегодня 56 кубитов.
Разные физические реализации квантовых компьютеров имеют свои преимущества. Сверхпроводниковые компьютеры имеют гораздо более быстрые операции, чем, например, ионные или атомные квантовые компьютеры, но достоверность и связанность у них ниже.
Ионный компьютер имеет самую высокую достоверность, но скорость операций у него не очень высокая.
Атомные компьютеры имеют очень большое число кубитов и более высокую достоверность, чем сверхпроводниковые, но ниже, чем ионные. Есть также подходы, основанные на фотонах.
А. Б.: Соответственно, наша группа работает с ионами.
И. З.: Могут появиться и новые платформы. Подходов для реализации очень много, и пока еще никто не знает, какой из них победит. Возможно, для разных задач будут применяться разные системы.
— А каковы возможные применения квантового компьютера?
И. С.: На сегодня далеко не все применения и приложения квантового компьютера понятны. Если обобщить, то квантовый компьютер, по всей видимости, сможет искать различные паттерны и находить их быстрее классического компьютера.
Думаю, что это будет с компьютерами в сотни кубитов и с достоверностью более «трех девяток». Возможно, первые полезные применения будут в области квантовой химии.
«Мы ожидаем, что первое полезное применение квантового компьютера появится через 5–10 лет».
И. З.: Лекарства, химические соединения, материалы — их свойства определяются в том числе и принципами квантовой механики, а это делает их предсказание с использованием классических компьютеров сложной задачей. Поэтому часто при разработке новых материалов и соединений приходится их синтезировать и смотреть, что получается экспериментально. Квантовые компьютеры, в свою очередь, смогут эффективно симулировать свойства таких материалов и веществ, что позволит сэкономить исследователям и компаниям большое количество времени и средств.
Кроме того, это будут задачи оптимизации, задачи логистики, задачи с финансовыми портфелями. Эффективных алгоритмов для решения таких задач на классическом компьютере человечество пока не смогло найти — требуется либо слишком много памяти, либо слишком много времени. А вот для квантового компьютера, который работает по принципам квантовой механики, такие алгоритмы можно придумать — только нужно сделать такую машину, которая будет работает достаточно надежно и обладать достаточно высокой мощностью.
А. Б.: Я бы еще добавил задачи криптографии, ведь именно с них начался взрывной интерес к квантовым вычислениям. Также я думаю, что первыми будут гибридные квантово-классические системы — когда квантовый компьютер работает как сопроцессор для классического компьютера и решает для него задачи оптимизации.
Сближение науки и бизнеса: перспективы квантовых вычислений
— Какие ресурсы были необходимы для разработки 50-кубитного ионного квантового компьютера?
И. С.: Самое главное — нужно было найти много весьма высококвалифицированных людей. В России есть 15–20 научных групп, работающих по этой тематике. В каждой работает от 20 до 50 человек, и каждая группа занимается своей проблематикой. В нашей — мы специализируемся на ионном компьютере — около 30 человек, в основном работают выпускники МФТИ. В МГУ тоже сильная школа, приходят сильные специалисты из МИСИС, МИФИ, СПбГУ и т. д.
При этом для подготовки кадров нужна не только научная школа, но и сильные лаборатории. У каждой такой лаборатории есть своя экспериментальная установка или несколько таких установок. У нас в лаборатории сейчас один компьютер работает, второй компьютер мы запускаем, планируем построить еще несколько — это непрерывный процесс. На создании новых установок и растут специалисты.
— Что физически представляет собой реальный квантовый компьютер: какую площадь или объем он занимает, какой требует инфраструктуры, обслуживания?
И. С.: Если говорить про ионный квантовый компьютер — это комната, в которой установлен оптический стол размером 3×1,5 м. Он заставлен оптикой, оптомеханикой, активными и пассивными компонентами — в несколько слоев. Его ключевой частью является вакуумная камера. В случае с ионным компьютером это камера с очень высоким уровнем вакуума, в которой установлена ионная ловушка, в которую пойманы отдельные ионы, в нашем случае используется иттербий-171. Эта ловушка фактически и есть процессор компьютера. В ней при помощи лазеров мы манипулируем квантовыми состояниями отдельных ионов — это и есть вычисления.
Для управления квантовым компьютером используется электронная система, подключенная к обычному компьютеру, который подключен к облачному доступу. Когда к нам обращаются заказчики, мы совместно с ними при помощи этой облачной платформы проводим вычисления. В процессе этой работы у заказчиков постепенно возникает представление о том, что такое квантовый компьютер, — так и происходит сближение науки и бизнеса.
— Каковы ваши ближайшие задачи?
И. С.: Сейчас мы повышаем достоверность. Мы хотели бы создать 100-кубитный компьютер с достоверностью выше, чем 99,9%. Если говорить об области прикладных вычислений, то мы уже выполняем алгоритмы, имеющие практическую ценность, — например, мы моделировали молекулу гидрида лития, мы создали слой машинного обучения для поиска патологий в легких.
«Основная ценность наших исследований в том, как именно мы запускаем алгоритмы. Наша цель — выполнять вычисления, которые нельзя симулировать на классическом компьютере».
И. З.: Я думаю, скоро можно будет делать некоторые прототипы полезных задач с использованием гибридного подхода — квантовые вычисления вместе с классическими. Мы сейчас тоже активно работаем в этом направлении. Кроме того, мы планируем переходить от громоздких объемных ионных ловушек к чипам, сделанным с использованием литографии. Ионы будут удерживаться на поверхности чипа. Это гораздо более масштабируемый подход, который открывает больше возможностей для дальнейшей работы. Ну и, конечно, такие системы будут гораздо компактнее и более технологичны в производстве, что тоже немаловажно.
— Если приводить примеры того, как чистая наука переходит в прикладную область, вы сейчас находитесь примерно в той же точке, где были ядерные физики, которые изучали распад ядра, цепные реакции, прежде чем создать ядерный реактор?
А. Б.: Да, наверное, это примерно так и есть. Но, наверное, нам легче, ведь мы помещаемся в одну лабораторию, нам легче ухватить все параметры одним взглядом. Но еще далеко не все понятно в том, как и почему работают различные квантовые эффекты. На нашу работу влияет множество параметров, и некоторые из них, возможно, мы еще не вполне понимаем. Мы постоянно учимся на этом проекте и будем учиться на следующих, чтобы более глубоко понимать физику, — ведь у нас нет учебника, как строить квантовый компьютер. Есть тысячи научных статей, все они являются какими-то частями этой мозаики, но далеко не все кусочки пазла открыты учеными. Применяем мы и результаты чужих исследований, которые зачастую работают у нас совершенно по-другому. Нет алгоритма, как сделать так, чтобы все работало.
— На что будет похоже серийное производство квантовых компьютеров?
И. С.: Я думаю, что серийное производство возникнет, когда мы научимся решать полезные задачи. Сейчас мы строим квантовый компьютер и обучаем специалистов, которые будут строить следующие поколения квантовых компьютеров. Следующей фазой будет масштабирование этих систем.
— Какова роль Росатома, ФИАН и Российского квантового центра в вашем проекте?
И. С.: Мы с ребятами пришли в ФИАН более 10 лет назад. Примерно в это же время появилась совместная лаборатория ФИАН и РКЦ, которую возглавил Николай Николаевич Колачевский. Сейчас он является директором ФИАН. Илья и Саша тогда были еще студентами, я только поступил в аспирантуру. И мы сразу попали в лабораторию к Колачевскому.
Отличительным стилем руководства Николая Николаевича является тонкий баланс между свободой и отеческой заботой. С одной стороны, он давал нам возможность опробовать все наши странные идеи и затеи, а с другой — всегда страховал нас там, где наша неопытность могла привести к плачевным последствиям. Он делился с нами своим богатым опытом, как научным, так и человеческим.
Вначале мы занимались экспериментами в области стандартов частоты. Первые работы по квантовым вычислениям мы начали в ФИАН в 2019 году в рамках лидирующих исследовательских центров и в сотрудничестве сразу с несколькими научными институтами. Ведущей организацией тогда был РКЦ. Затем при координации Росатома РКЦ совместно с коллегами по экспертному сообществу создал в России дорожную карту развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления».
Фактически государство в партнерстве с Росатомом сказало нам: «Теперь мы будем развивать квантовые вычисления на всех платформах, включая ионную». Мы взялись за эту задачу — и реализовали ее. Госкорпорация «Росатом», координируя дорожную карту по квантовым вычислениям, фактически создает в России квантовую перспективу.
«Мы входим в число трех стран мира, включая США и Китай, которые работают над созданием квантовых компьютеров на четырех приоритетных платформах: атомной, ионной, сверхпроводниковой и фотонной».
И. С.: Прежде чем квантовые компьютеры станут коммерчески эффективными, должен пройти процесс становления научной школы, а это десятки лет. До начала работ мы отставали от всего мира на 20 лет, но теперь мы это отставание сокращаем и создаем научную школу — те коллективы, которые уже способны решать задачи на мировом уровне. Сейчас мы отстаем уже на считаные годы.
В среднем в мире уходило 15–20 лет на то, чтобы создать 50-кубитный компьютер. У нас на это ушло примерно 4 года. Мы быстро развиваемся, и я очень надеюсь, что нам удастся этот темп удержать.
«Я надеюсь, что в течение ближайших 3–5 лет мы сможем выйти в полноценный паритет с миром — во всяком случае, в области ионных квантовых вычислений. И это наш научный суверенитет, интеллектуальный суверенитет».
Я бы сказал, что главным достижением этой дорожной карты, которая заканчивается в декабре 2024 года, стало даже не то, что мы построили 50-кубитный компьютер, а то, что за это время мы стали существенно умнее. Квантовый компьютер — это, наверное, одна из самых сложных вещей, которая когда-либо появилась в физике — и с точки зрения объема знаний, и с точки зрения технологии, которая за этим стоит. Его можно сравнивать с какими-нибудь гигантскими телескопами или Большим адронным коллайдером. Наша основная задача в новой дорожной карте 2025-2030 годов — попытаться реализовать подходы, которые позволят решать полезные задачи на квантовом компьютере. Набор таких идей и подходов у нас есть.
Кто эти люди: эталонный экспериментатор, генератор идей и бесстрашный физик
— С чем вы пришли в квантовые вычисления? Чем вы до этого занимались? Чего вы лично добились для себя, работая в этом проекте?
И. С.: Я начинал свою научную карьеру с астрофизики. Примерно 10 лет назад я занялся исследованиями ультрахолодных ионов. В рамках этих исследований мы выполнили несколько важных проектов, связанных с квантовой логикой, и у нас были нужные знания для того, чтобы начать заниматься квантовыми компьютерами.
А. Б.: Для многих из нас путь в квантовые вычисления проходил через МФТИ и базовый институт нашей кафедры — ФИАН. И мы пришли в коллектив, который нам понравился. Здесь мы образовали костяк, который работает последние 10 лет. Наш первый проект был по сверхточным оптическим часам. Следующий большой проект был более ответственный — оптический стандарт частоты на ионах иттербия. А в 2020–2021 годах мы начали работать над квантовым компьютером на ионах иттербия. Опыт работы с последними у нас уже был, но нужно было увеличивать количество ионов, менять некоторые модули в системе, менять концепцию работы.
Кстати, когда мы закончили проект оптических часов и нас попросили показать установку на салоне МАКС в Жуковском, было довольно интересно заставлять работать систему под звук реактивных самолетов — когда все вибрирует, все трясется и нужно настроить и запустить нашу квантовую систему, которая требует тишины...
И. З.: На самом деле Саша Борисенко — эталонный экспериментатор. Он может сделать в эксперименте все, что угодно, найти все, что угодно, заставить работать все, что угодно. Илья Семериков — наш генератор идей, который при этом нас сплачивает и приоритезирует задачи, а заодно он всегда готов пренебречь авторитетами. Илья умеет говорить: «А почему бы не сделать вот так?» Мы говорим: «Да, но так почему-то никто не делал». И иногда получается, что мы делаем что-то первыми в мире.
Лично я больше занимаюсь задачами анализа данных, отвечаю за теоретическую составляющую нашей работы, за понимание физики сложных процессов, за автоматизацию и программирование всех этих систем. Я тот человек, который говорит: «Нет, это не сработает, физику не обманешь». Так у нас и получилась команда, в которой каждый занимается чем-то своим, специализируется на чем-то своем, имеет приоритетную задачу. И поэтому, когда на горизонте появилась идея создать квантовый компьютер, мы поняли, что это интересная, перспективная и амбициозная задача, — и решили попробовать!
— Какие советы вы могли бы дать молодым ученым, таким, какими вы были 10 лет назад или раньше?
И. З.: Смотреть по сторонам и пробовать разное. Авторитеты в науке — это очень страшная вещь, с ними страшно спорить. Но иногда нужно иметь смелость пробовать что-то свое — даже если тебе кажется, что это какая-то глупость. А если не получается, сесть, подумать еще раз и попробовать еще раз. Почему ты делаешь именно так? Что тебя ограничивает? А может быть, можно пойти другим путем?
А. Б.: Кстати, мы любим работать в выходные, когда вокруг меньше людей, меньше шумов и система чувствует себя хорошо и стабильно. Мы, конечно, пытаемся это нивелировать и уже довольно хорошо все заизолировали, но все еще любим запускать алгоритмы ночью, когда никого нет. Чтобы бороться с природой, нужно глубокое понимание происходящего. И это очень увлекательно.
И. С.: Квантовые компьютеры — это принципиально новый способ вычислений. Очень тонкие параметры, очень тонкое окружение, очень хрупкие системы, которые сами по себе не возникают. Это такая вещь, которой раньше никогда не было. С моей точки зрения, цивилизация определяется двумя факторами: энергетическим фактором и фактором ее вычислительных возможностей. Так что создание квантового компьютера — это фундаментальный цивилизационный вызов.
Официальные аккаунты «Цифровой Росатом»