Кульбиты на кубитах. Когда появятся квантовые ноутбуки

МОСКВА, 13 дек — РИА Новости, Алексей Огнев. Участники гонки по созданию квантового компьютера бьют рекорд за рекордом. Этап мелкомасштабных машин позади, пришло время устройств из нескольких сотен и тысяч кубитов — в зависимости от платформы. Кто покорит следующую вершину и когда человечество увидит мощнейшие вычислительные инструменты, рассказал в лекции на Конгрессе молодых ученых в Сочи Алексей Федоров, двадцативосьмилетний профессор Физтеха и руководитель научной группы "Квантовые информационные технологии" Российского квантового центра.

Революционный держите шаг

Основная единица обработки информации в квантовом компьютере — кубит. Это квантовый аналог бита — суперпозиция нулей и единиц. Число состояний, доступных в квантовом регистре, — 2 в степени n, где n — количество кубитов. Устройство на 50 кубитах обладает мощностью классического суперкомпьютера, 280 кубитов уже дают больше ячеек памяти, чем атомов во Вселенной.

Первая квантовая революция случилась давно: на квантовой физике работают транзисторы и лазеры. Однако там используются коллективные квантовые эффекты, затрагивающие множество квантовых частиц. В лазере это фотоны, кванты света, в транзисторе — электроны, носители заряда. Вторая квантовая революция — переход к управлению отдельными степенями свободы квантовых систем и отдельными квантовыми объектами: фотонами, атомами, молекулами. Это открывает новые возможности.

Индивидуальные квантовые системы драматически отличаются от того, к чему мы привыкли в макромире. "Квантовая монетка" может находиться в состоянии суперпозиции: одновременно выпадать орлом и решкой, причем в произвольных пропорциях, которые можно контролировать. Квантовая запутанность — проявление очень сильной взаимосвязи между квантовыми объектами. Если мы создадим две "квантовые монетки", то, зная состояние одной, сумеем понять состояние другой. На их статус влияет неконтролируемое воздействие окружения или наблюдателя. Поэтому для того, чтобы работать с квантовыми системами, их нужно изолировать. Кроме того, заранее неизвестные квантовые состояния нельзя копировать.

© РИА Новости / Фотохост Конгресса молодых учёных

Перейти в медиабанк

Научный руководитель группы "Квантовые информационные технологии" Российского квантового центра Алексей Федоров проводит лекцию "Квантовые вычисления как новая парадигма в науке и IT" в рамках Конгресса молодых ученых в Сочи

Квантовые вычисления позволяют обойти закон Мура. Квантовая коммуникация надежно защитит передачу информации. Квантовые сенсоры зарегистрируют малейшее изменение электромагнитных полей и температуры.

Фундаментальный вопрос — что станет квантовым аналогом кремниевого транзистора. Необходимо найти физическую систему с большим количеством квантовых объектов и высоким уровнем контроля над ними.

Бешеная гонка

Квантовое превосходство — это возможность оперативно решить задачу, требующую у классического компьютера колоссального времени. На этом поприще развернулась настоящая битва.

Осенью 2019-го группа физика Джона Мартиниса из Google объявила, что пересекла финишную ленточку. Ученые утверждали, что их процессор Sycamore на 53 кубитах справился за 200 секунд с задачей, которую мощнейший на тот момент суперкомпьютер Summit, способный выполнять 200 квадриллионов операций в секунду, решал бы десять тысяч лет. Речь шла о моделировании случайных квантовых цепочек. Статью опубликовали в журнале Nature. Впрочем, сотрудники IBM сразу же раскритиковали эту работу: по их мнению, с помощью другого алгоритма Summit справится с поставленной задачей за несколько дней. Однако ни те, ни другие не проводили классические вычисления в полном объеме. Наконец гордиев узел разрубили ученые из Института теоретической физики Китайской академии наук. В марте этого года они предложили новый алгоритм и решили ту же задачу на вычислительном кластере из 60 графических процессоров NVIDIA Tesla V100 с 32 гигабайтами памяти. Расчеты заняли всего пять дней, причем точность существенно превысила ту, которой добился Sycamore.

В 2020-м о квантовом превосходстве сообщила группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Пана из Научно-технического университета в Шанхае. Их фотонный процессор Jiuzhang за 200 секунд решил задачу бозонного сэмплинга, на которую суперкомпьютеры, по расчетам ученых, потратили бы миллиарды лет. Статью напечатали в журнале Science.

Недавно группа Цзянь-Вэй Пана отчиталась о двух новинках: Jiuzhang 2.0, по их оценкам, действует в десять миллиардов раз быстрее предшественника, а с помощью сверхпроводникового квантового процессора Zuchongzhi на 66 кубитах исследователи получили за час с небольшим результат, для которого мощнейшему суперкомпьютеру, по их оценкам, потребуется восемь лет.

© Фото : University of Science and Technology of China

Прототип светового квантового компьютера Jiuzhang 2.0

В ноябре IBM объявила об очередном рекорде — квантовом процессоре Eagle на 127 сверхпроводниковых кубитах. Однако этому устройству еще только предстоит показать себя в деле. В 2022-м компания планирует выпустить квантовые чипы Osprey с 433 кубитами, через два года — Condor с 1121 кубитом.

Квантовые компьютеры IBM находятся в публичном облачном доступе. На них проводят миллионы экспериментов. Кроме того, это важный инструмент в образовании. Студенты, которые пишут дипломные работы в Российском квантовом центре, часто используют платформу IBM. От квантового компьютера IBM нас отделяют всего несколько кликов в браузере. Интерфейс на сайте выглядит достаточно просто. Можно инициализировать кубиты, как на нотном стане выставлять одно- и двухкубитные операции, а дальше запускать их либо на реальном квантовом "железе", либо на эмуляторе квантового компьютера.

Многообразие "железа"

Есть и другие разновидности квантовых компьютеров. Например, в Intel перешли от сверхпроводниковых к полупроводниковым квантовым вычислениям и продемонстрировали четырехкубитный квантовый процессор. Эксперимент проходил при криогенных температурах. Развернулась гонка между германиевыми и кремниевыми транзисторами.

Кубитами могут быть и холодные нейтральные атомы, пойманные в оптические ловушки. Недавно ученые под руководством профессора Гарвардского университета Михаила Лукина собрали компьютер на 256 кубитах. Михаил и его коллеги основали стартап QuEra Computing, надеясь коммерциализировать эту технологию и сделать такие квантовые устройства доступными для внешних пользователей.

Еще на роль кубитов годятся ионы, тоже в специальных ловушках. В частности, это направление развивает американская компания IonQ. У технологии есть преимущества, однако возникает проблема масштабирования: трудно поймать сразу много ионов, поэтому нужно обеспечить взаимодействие между несколькими ловушками.

Альтернативный подход — адиабатические квантовые компьютеры, устройства квантового отжига. Недавно компания D-Wave представила устройство на пяти тысячах кубитов. Пока в этих машинах нет индивидуального контроля над каждым кубитом, однако их активно используют для прикладных задач. Квантовый компьютер D-Wave даже появился на обложке журнала Time.

Первый прототип квантового компьютера в России заработал в 2019 году. Принята дорожная карта по развитию квантовых вычислений, предполагающая совершенствование квантовых процессоров на широком спектре платформ.

© Serious science

Михаил Лукин, профессор Гарварда и сооснователь Российского квантового центра

Взломщик и созидатель

Сфера применения квантовых компьютеров очень широка. Во-первых — задачи оптимизации логистики и финансов. D-Wave уже используют, скажем, для сборки небольшого портфеля инвестиций с минимальными рисками и максимальной доходностью, а также для регулирования городского автотранспортного трафика по заказу компании Volkswagen.

Во-вторых — алгоритмы машинного обучения, нейронные сети.

В-третьих — моделирование других квантовых систем и создание посредством этого новых медикаментов, промышленных материалов. Есть гипотеза, что многие полезные вещества еще не синтезировали из-за того, что моделирование соответствующих химических соединений крайне сложно. На это указывает анализ распределения молекулярных весов уже известных лекарств. Автопроизводители с помощью квантовых компьютеров уже ищут новые вещества для аккумуляторов.

Есть задача, решение которой, как шутят, окупит все вложения в квантовые вычисления. Это оптимизация получения аммиака посредством изучения структуры химических процессов, способная сократить потребление энергии в мире на два-три процента в год. Однако, по текущим оценкам, для этой задачи нужно около четырех миллионов кубитов. С другой стороны, помимо прогресса с аппаратным обеспечением, есть прогресс с алгоритмами, снижающими требуемые ресурсы.

Четвертая область — криптография. Большинство современных криптографических алгоритмов основано на том, что невозможно быстро разложить число на простые множители. Классическим компьютерам для этого требуются миллионы лет. Поэтому такого рода алгоритмами защищают данные, например, в интернете. В середине девяностых американский математик Питер Шор предложил алгоритм разложения числа на простые множители для квантового компьютера. Устройство на 20 миллионах физических кубитов способно взломать криптографический ключ RSA длиной 2048 битов всего за восемь часов. Конечно, современным маломощным квантовым компьютерам этот орешек не по зубам.

Алексей Федоров и его коллеги активно сотрудничают с коммерческими компаниями. Совместно с Genotek специалисты РКЦ исследовали возможность ускорить сборку генома. C помощью квантового компьютера удалось собрать геном бактериофага. Работа с Nissan посвящена моделированию химических реакций. С фармацевтическим стартапом Gero создали гибридный квантово-классический метод машинного обучения, позволяющий получать новые химические соединения. Кроме того, РКЦ взаимодействует с "Росатомом".

Что день грядущий нам готовит

Эпоха мелкомасштабных квантовых компьютеров — от двух до десяти кубитов — позади. Эти устройства широко применяются в образовательных и научных целях.

Наступил этап так называемых шумных квантовых процессоров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ). В них десятки или сотни кубитов. Шумные — потому что системы все еще работают неустойчиво из-за внешних помех. Квантовое превосходство демонстрируют на абстрактных задачах с весьма ограниченной практической ценностью. Тут пока много открытых вопросов — и научных, и инженерных.

Следующий уровень — квантовые компьютеры с коррекцией ошибок. Появятся ли когда-нибудь квантовые ноутбуки и смартфоны? Сейчас легко ошибиться с предсказанием. Скорее всего, квантовые компьютеры все-таки станут нишевым приложением для определенного класса математических задач. Пользоваться ими будут через облачный сервис. Однако очень трудно предугадать на старте экспоненты, куда двинется мир.