Вычисления на скоростях: технологии квантового компьютинга готовятся к масштабированию

В начала марта бок о бок в журнале Nature вышли статьи о коммерциализации квантовых технологиях и возможностях квантовых компьютеров для бизнеса, а затем статья о разработке компанией IBM первого коммерческого сервиса квантовых облачных вычислений. Однако квантовый компьютер — это не только новые перспективы для бизнеса, но и драйвер развития средств информационной безопасности, поскольку его появление сделает существующие инструменты уязвимыми. Для того, чтобы при появлении доступного коммерческого квантового компьютера все секреты вдруг не стали открыты — нужны новые идеи для защиты информации.

Больше полувека развитие компьютеров подчиняется знаменитому закону Мура: каждые два года в процессорах становится вдвое больше элементов. А сами элементы же становятся все меньше… Но в следующем десятилетии закон Мура может перестать действовать: транзисторы нельзя сделать меньше атомов. И чаще всего главной надеждой ИТ-отрасли называют квантовый компьютер.

Тут, правда, имеет место некоторое недоразумение. Квантовые компьютеры вряд ли заменят обычные. Скорее они станут сверхмощными вычислительными модулями для решения отдельных особо трудоемких задач, подобно современным видеокартам обрабатывающим мультимедийную информацию.

Обычный компьютер работает с битами — нулями и единицами в ячейках памяти. Квантовый строится на основе кубитов — квантовых ячеек, способных находиться не только в состояниях «0» и «1», но и одновременно в каждом из этих двух состояний, подобно знаменитому коту Шрёдингера, который одновременно и жив, и мертв. В таком смешанном состоянии «0» и «1» сосуществуют в определенной пропорции. Так продолжается, пока значение кубита не будет считано обычным компьютером. Тогда кубит с соответствующей вероятностью принимает одно из двух значений.

Впрочем, одиночный кубит — вещь не слишком полезная. Всё самое интересное начинается при взаимодействии кубитов. В особых условиях, называемых квантовой запутанностью, кубиты объединяются в единую систему. Если каждый из них смешан в два состояния, то пара запутанных кубитов будет находиться сразу в четырех состояниях, три кубита — в 2³ = 8 состояниях, а N кубитов — в 2^N состояниях. И все эти состояния могут одновременно участвовать в вычислительных операциях.

Представьте что, вы забыли код цифрового замка на чемодане. Подбирать его — это часы нудной работы. Вот если бы все возможные положения дисков замка можно смешать вместе и применить одновременно… Тогда одна из комбинаций сразу открыла бы замок, а остальные не оказали бы никакого воздействия. С механическим устройством такого не сделать, но для квантовых частиц это — норма. Надо только научиться приводить их в нужное исходное состояние.

Квантовые алгоритмы устроены так, что по мере их выполнения в системе запутанных кубитов быстро растет вероятность того состояния, которое решает поставленную задачу. Достаточно привести систему кубитов в определенное исходное состояние, немного подождать и считать получившееся состояние — оно и окажется искомым ответом.

Примерно так видится процесс взлома систем шифрования с использованием квантового  алгоритма Шора, позволяющего раскладывать целые числа на множители. Сегодня шифрование большей части данных, передаваемых по интернету, опирается на огромную трудоемкость этой задачи в случае разложения больших чисел. Классически она решается только перебором вариантов, что не под силу даже суперкомпьютерам. Алгоритм Шора позволяет мгновенно решить эту задачу, опробовав сразу все варианты. Остается только создать квантовый компьютер с сотнями кубитов, и банки со спецслужбами лишатся своих секретов.

Впрочем, взломом криптографических систем квантовые вычисления не ограничиваются. Есть и другие неподъемные для классических компьютеров задачи. И, в первую очередь, это крайне ресурсоемкое моделирование самих квантовых систем. Еще в прошлом веке советский математик Юрий Манин и американский физик Ричард Фейнман почти одновременно предложили использовать одни квантовые объекты для предсказания поведения других, с которыми трудно экспериментировать. Моделирование на квантовом компьютере может, например, позволить разработать материалы, сохраняющие сверхпроводимость при комнатной температуре. Пока этого состояния добиваются лишь при температуре жидкого азота, хотя фундаментальных запретов на сверхпроводимость при комнатной температуре нет. Квантовый компьютер мог бы смоделировать строение новых высокотемпературных сверхпроводников, которые обойдутся без криогенных систем. Появление таких материалов приведет к грандиозным переменам не только в электроэнергетике, но и во всей технологической цивилизации. Например, обыденностью станут сверхскоростные поезда на магнитной подушке.

Квантовые сопроцессоры помогли бы и в поиске структуры других новых материалов, например, легких, высокопрочных, жаростойких, которые необходимы авиакосмической отрасли. А, скажем, квантовый алгоритм Гровера, позволит значительно ускорить поиск в неупорядоченных базах данных. Это очень актуальная задача в условиях роста популярности «больших данных». На сайте американского Национального института стандартов и технологий собирается полная коллекция известных квантовых алгоритмов, и их там уже более полусотни. Так что квантовый компьютер может стать уникальным и незаменимым инструментом для решения множества задач, вот только создать его очень трудно.

Запутанные квантовые состояния крайне хрупки. Любое случайное взаимодействие с окружающей средой разрушает их и прерывает вычисление. Поэтому так важно на пути к квантовому компьютеру найти лучшую технологию реализации кубитов, чтобы они могли запутываться между собой, не испытывая посторонних помех. Мы знаем, что все классические процессоры построены на одной технологии – кремниевой. В случае же квантовых, можно использовать совершенно разные материалы и соответственно разные подходы: одиночные атомы, фотоны в оптическом резонаторе, ионы азота в кристаллической решетке алмаза, так называемые сверхпроводящие джозефсоновские цепи.

В 1999 году квантовое состояние у сверхпроводящих кубитов на основе контактов Джозефсона удавалось сохранять всего несколько наносекунд. К 2013 году это время выросло в 10 000 раз — до сотни микросекунд, и этого уже достаточно для полезных вычислений. Но есть другая трудность — при переходе от одиночного кубита к системам из десятков и сотен сложность поддержания квантовых состояний многократно вырастает. Так что проблема полноценной изоляции от внешних помех остается главным препятствием на пути создания квантовых вычислительных машин.

Среди физиков есть пессимисты, считающие, что преодолеть это препятствие не удастся. Так израильский физик Джил Калай полагает, что рост числа кубитов ведет к лавинообразному росту шумов, которые делают бессмысленными попытки что-то просчитать. Российский физик Михаил Дьяконов полагает, что невозможно с необходимой точностью задавать начальные и считывать конечные состояния квантовых процессоров. Однако большинство специалистов считает эти препятствия преодолимыми. Так, Алексей Устинов, профессор Технологического института Карлсруэ и руководитель научной группы РКЦ, называет создание универсального квантового компьютера чисто инженерной проблемой, которая будет решена в ближайшие десять лет.

Судя по всему, так же считают и крупные технологические корпорации. В развитие квантовых вычислений десятки и сотни миллионов долларов вкладывают Google, Microsoft, IBM, Intel и даже китайский интернет-ритейлер Alibaba. Проекты в этой области реализуют NASA и Lockheed Martin, а правительства многих стран запускают программы по развитию квантовых технологий.

Единственная компания, предлагающая сегодня решения в области квантовых вычислений — канадская D-Wave Systems. В ее устройствах используются тысячи сверхпроводящих кубитов, однако это не полнофункциональные, а так называемые адиабатические квантовые компьютеры. Они решают, по сути, только одну задачу — поиск минимума очень сложных функций методом квантового отжига. Их можно сравнить с популярными в середине XX века аналоговыми компьютерами, где вычисления проводились путем измерения параметров специально подобранных физических процессов, например, давления воды в перенастраиваемой гидравлической системе.

До недавнего времени многие специалисты даже сомневались, что эти устройства D-Wave действительно используют квантовые эффекты. Но эксперименты сотрудников Google подтвердили наличие квантовой прибавки к скорости вычислений. Компьютерами D-Wave интересуется Пентагон и американские разведывательные агентства. Компания Lockheed (один из первых клиентов компании) закупила такую машину для проверки и оптимизации программного обеспечения, используемого в разработке истребителя пятого поколения F-35. При тестировании системы удалось с помощью D-Wave за шесть недель найти ошибки в программном обеспечении истребителя F-16, тогда как c традиционными инструментами для этого понадобилось несколько месяцев.

«Настоящие» квантовые компьютеры содержат пока лишь по несколько кубитов, из которых собирают отдельные логические элементы для экспериментов. В 2001 году ученые из Стэнфорда и IBM впервые продемонстрировали практическую реализацию алгоритма Шора — устройство из семи кубитов успешно разложило число 15 на простые множители — 3 и 5. Через десять лет, в 2011 году, группа китайских физиков объявила, что им удалось разложить число 143. Прогресс кажется не слишком быстрым, но в этой области он идет сразу во всех направлениях — создаются языки программирования для будущих квантовых ЭВМ, прорабатываются алгоритмы, ведутся эксперименты с задачами. Например, IBM открыла для всех желающих доступ к своему 5-кубитному квантовому компьютеру Quantum Experience. Microsoft работает над своим вариантом квантового компьютера, основанного на использовании квазичастиц — неабелевских анионов, которые возникают в цепочках холодных электронов.

В России эксперименты в этой сфере пока на начальной стадии: группа ученых из РКЦ и МФТИ под руководством Алексея Устинова создала первый кубит на базе контактов Джозефсона. Готовятся эксперименты с двумя кубитами.

Наблюдая за всем разнообразием идей и подходов, ведущий научный журнал Nature в первые дни января 2017 года опубликовал статью, прогнозирующую уже в этом году выход квантовых компьютеров из лабораторий в «большую жизнь». Это означает появление технологий масштабирования квантовых вычислителей, позволяющих наращивать их мощность, как это делается с классическими компьютерами. По мнению журнала, возможными лидерами в этом прорыве будет группа под руководством Джона Мартиниса, который работает в лаборатории Google с кубитами на основе контактов Джозефсона, а также компания IonQ под руководством Кристофера Монро из университета Мэриленда. Эта компания развивает технологии кубитов на основе ионов в магнитных ловушках.

Мы ждем, что в этом году или в следующем будет достигнута точка квантового превосходства – момент, когда квантовые компьютеры покажут, что они могут больше, чем самые мощные классические суперкомпьютеры. Сама по себе задача квантового превосходства не является решением индустриальных вызовов, но это означает первый шаг квантовых вычислительных машин из лабораторий в реальный мир. И нам нужно готовиться к этим переменам.