Что сможет компьютер невиданной мощности. Интервью с разработчиком

Квантовый компьютер на протяжении вот уже 30 лет является одним из самых важных и обсуждаемых научно-технических проектов. Об основных принципах его работы и актуальных задачах в этой сфере рассказал РИА Новости заведующий лабораторией "Сверхпроводящие метаматериалы" Национального исследовательского технологического университета “МИСиС” (НИТУ "МИСиС") и руководитель группы "Сверхпроводящие квантовые цепи" в Российском квантовом центре (РКЦ), профессор Алексей Устинов.

— Алексей Валентинович, скажите, чего мы хотим от квантового компьютера?

— Думаю, в первую очередь, это создание материалов с заданными свойствами. Чтобы спроектировать молекулу, имеющую более пятидесяти межатомных связей, не хватит мощности всех компьютеров на Земле. Сейчас мы можем создавать новые устойчивые молекулы, фактически, только перебором, экспериментально проверяя их химические свойства, тогда как квантовый компьютер позволит решать эту задачу аналитически.

Существует множество проблем, которые не по плечу классическому компьютеру. Принципы целого ряда областей — от криптографии до искусственного интеллекта — могут полностью измениться с появлением квантового компьютера.

Заметьте, что потребовалось больше 10 лет после изобретения транзистора, чтобы созрела идея микропроцессора и пришло понимание тех задач, что он способен решать. Думаю, с квантовым компьютером ситуация аналогичная — разрешив принципиальные затруднения и создав эффективную сборку, мы обнаружим много возможностей.

— Что такое кубит?

— Это аналог бита в квантовых компьютерах. С информационной точки зрения это система, способная одновременно принимать значения на всем промежутке от 1 до 0 — в отличие от бита, строго являющегося либо 1, либо 0.

Физически кубитом может быть любая частица: атом, электрон, фотон. Магнитный момент частицы имеет два направления — условно, верх и низ — и именно эти состояния становятся аналогами 1 и 0 в классическом компьютере.

Информацию в битах можно обрабатывать только последовательно, бит за битом, тогда как кубиты позволяют, в силу эффекта квантового параллелизма, обрабатывать весь массив данных одновременно.

— Как происходят операции на кубите?

— Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Осуществление логических операций в процессе вычислений заключается в перемещении точки по этой поверхности.

Управление кубитами происходит при помощи микроволновых сигналов, изменяющих энергетическое состояние частицы. Считывание результатов осуществляется специальным резонатором: это как бы слушать звук, настроенный на кубит, только звучащий в диапазоне частот, характерном для мобильной связи.

— Сколько же кубитов нужно, чтобы компьютер заработал?

— Думаю, количество — вовсе не самый важный показатель. Мощность квантового компьютера растет не пропорционально числу кубитов, а экспоненциально: то есть, добавив, например, к пятнадцати кубитам еще один, мы повысим суммарную вычислительную мощность вдвое.

Однако чтобы создать кубит — казалось бы, предельно простую систему, состоящую из одной частицы — требуется масса ухищрений. Для того чтобы были возможны осмысленные операции, необходимо устранить физические помехи, вносящие ошибки в вычисления — от температурных колебаний до космических лучей. Иначе вместо вычислений получится просто шум.

Поэтому, я считаю, сейчас самое важное — улучшать свойства кубитов и качество связи между ними. Ошибки, возникающие на одном кубите, уже могут быть вполне фатальны, а при увеличении числа кубитов число ошибок возрастает. Побороть декогеренцию, то есть создать слаженную устойчивую систему из многих кубитов — вот принципиальная задача.

— Как известно, существуют разные проекты квантового компьютера. Какие варианты, на ваш взгляд, являются наиболее перспективными?

— Развиваются две основные платформы. Первая использует ионы в вакууме, удерживаемые электро-магнитной ловушкой. Вторая, развиваемая в том числе и нашими лабораториями, использует так называемые квантовые схемы с джозефсоновским переходом — тончайшие пленки алюминия и окисла алюминия на диэлектрической подложке, охлажденные практически до абсолютного нуля.

Создание универсального квантового вычислителя — задача, надо признать, далекая от завершения. Большинство результатов, достигнутых сегодня, получены на так называемых квантовых симуляторах — устройствах, заточенных под решение конкретных математических задач и задач в области теоретической физики, для успеха которых не так важен объем ошибок.

— Какие достижения в вашей сфере на сегодня вы бы отметили?

— Главная проблема квантовых вычислений — поддержание когерентности кубитов. За прошедшие 15 лет в этом направлении достигнуты большие успехи: сегодня время когерентности сверхпроводниковых кубитов достигает десятков микросекунд, что уже очень много, хотя пока и недостаточно для решения прикладных задач.

Компания Google в октябре этого года продемонстрировала квантовый процессор, фактически являющийся генератором случайных чисел, с помощью которого за двести секунд была решена задача, занимающая у самого мощного суперкомпьютера IBM около двух с половиной дней. Думаю, это можно считать первым однозначным проявлением "квантового превосходства".

В России был создан и успешно развивается сверхпроводниковый кубитный консорциум на базе нескольких ведущих квантовых лабораторий (НИТУ "МИСиC", МФТИ, МГТУ им Баумана, РКЦ, ИФТТ РАН и ВНИИАА им. Духова). За три года нами была проделана колоссальная работа — можно сказать, что мы преодолели десять лет отставания в этой отрасли. Я считаю, что наш уровень сейчас позволяет развивать собственную исследовательскую траекторию в этой важнейшей гонке.