Мир замер в ожидании: квантовые компьютеры, которые долгие годы описывали в книгах и фильмах, вот-вот можно будет использовать для конкретных целей: оптимизировать маршруты самолетов и автобусов, разрабатывать новые лекарства и материалы, привлекать к машинному обучению. Профессор Сколтеха, лидер Deep Quantum Labs Джейкоб Биамонте объясняет, зачем нужны квантовые компьютеры, какого квантового будущего можно ждать, и какие неприятности преследуют эту технологию.
Автор серии публикаций, посвященных теории и применению квантовых вычислений. В его работах содержатся ранние доказательства универсальности квантовых вычислений адиабатической модели (которую использует сейчас компания D-Wave), методы программирования адиабатических квантовых компьютеров, анализ вычислительной сложности моделирования процессов физической химии с помощью квантового компьютера общего назначения. Джейкоб провел десятки курсов, связанных с квантовыми технологиями, консультировал компании и государственные учреждения. Приглашенный член Института Основополагающих вопросов, the Foundational Questions Institute (FQXi), член специальной комиссии Института Инженеров Электротехники и Электроники (IEEE) по квантовым технологиям, консультант стартап-инкубатора Toronto’s Creative Destruction Labs и стартапов, работающих в области квантового усовершенствования машинного обучения. Получил степень доктора в Университете Оксфорда. Сейчас профессор живет в России, где уже пять месяцев возглавляет лабораторию DeepQuantum Сколтеха. Лаборатория занимается теоретическими вопросами применения квантовых компьютеров, например вопросами использования квантовой физики для задач машинного обучения и, наоборот, тензорными сетями, гамильтоновой сложностью.
Как это работает
Квантовые компьютеры колоссально ускоряют вычисления благодаря явлениям квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Новые машины оперируют не битами, представляющими собой нули и единицы, а кубитами, которые могут находится в этих двух состояниях одновременно (это и называется «суперпозицией»). Поэтому квантовому компьютеру не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, как это делает современная компьютерная техника.
Существует три различных типа устройств, работающих с квантовым усилением:
-
Квантовый симулятор. Устройство представляет собой физический эксперимент, который запускается специально, чтобы изучить какое-либо свойство квантовой системы. Например, можно построить аэродинамическую трубу для изучения свойств аэродинамики. А можно построить квантовую систему для изучения какого-то свойства квантовой механики или физической системы.
-
Квантовый вычислитель (или адиабатический компьютер) — его производит и продает компания D-Wave Systems. Вычислитель минимизирует целевую функцию (например нахождение оптимального расписания маршрутов для московских автобусов) таким способом, который может ускорить квантовая механика. В настоящее время продаются устройства этого класса с 2 тыс. контролируемых спинов. Устройства с 4 тыс. спинов сейчас находятся на стадии тестирования. Спин — это так называемая внутренняя степень свободы квантовой частицы. Спины разных частиц могут взаимодействовать, за счет чего можно осуществлять вычисления. Помимо спинов адиабатические модели также могут использовать для вычислений фотоны или нейтральные атомы. Вопрос о том, можно ли устройства D-Wave назвать полноценными квантовыми компьютерами, остается открытым.
-
Квантовые компьютеры, основанные на модели «квантового вентиля» (квантовый логический элемент) — их выпускают IBM и Google.
Эти устройства могут создавать так называемую квантовую схему или квантовую вычислительную сеть. Она похожа на обычную цифровую схему, но связана с квантовыми корреляциями, создаваемыми операциями, выполняемыми в некоторой последовательности во времени. Этот подход реализует так называемую модель вычислений с квантовыми вентилями. Большинство квантовых алгоритмов, таких как симуляция химической физики, были разработаны для таких компьютеров. Эти машины используют для вычислений кубиты.
1. IBM (50 кубитов)
2. D-Wave (2000 спинов)
3. Google (72 кубита)
4. Rigetti (19 кубитов)
5. Alibaba (11 кубитов)
Шум и другие неприятности
Самый мощный компьютер сейчас у Google, но он по-прежнему очень шумный. В квантовом масштабе (чрезвычайно малом) энергия движется, упакованная в мини-пакеты (они-то и называются квантами). Они разбегаются, отпрыгивают и, взаимодействуя с квантовым компьютером, создают ошибки. Если бы мы смогли охладить квантовую систему до абсолютного нуля, то полностью убрали бы эти ошибки, — но мы не можем. При конечной температуре приходится полагаться на методы подавления с использованием кодов коррекции ошибок, чтобы увеличить время работы квантового компьютера до того, как он будет «разбомблен» всеми этими нежелательными квантами энергии.
Квантовые компьютеры можно будет использовать для моделирования химических веществ для фармацевтической промышленности. Например, мы можем сделать квантово-механическое описание кофеина и симулировать его на паре сотен кубитов. Как это работает? Кофеин, как и другие молекулы, целиком и полностью основан на квантовой механике. Квантовая механика также определяет механику и квантового процессора. Так что мы просто пытаемся «настроить» физику квантового чипа, чтобы он имитировал физику кофеина.
Сейчас самое крупное достижение в области моделирования молекул — гидрид лития (LiH) и гидрид бериллия (BeH2). Благодаря недавно разработанному алгоритму Variational quantum enginesolver эти молекулы удалось успешно промоделировать на процессоре IBM, используя только 6 кубитов.
Фармацевтика, авиация, финансы: где нам помогут квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры помогут открыть новые лекарства и материалы. Они смогут изучить все варианты взаимодействия с препаратами и вычислить вероятность успеха каждого из них за счет более точного понимания строения ДНК и фолдинга белка. Вот почему крупные технологические компании очень заинтересованы в этой сфере, некоторые из них уже купили вычислители D-Wave на 2 тыс. спинов — за $15 млн каждый. Высокая стоимость обусловлена тем, что для них требуется система охлаждения до −273 градусов по Цельсию. Кстати, их можно и арендовать. Это не универсальный квантовый компьютер, но это квантовый компьютер в том смысле, что он использует квантовые эффекты для ускорения оптимизации и сэмплирования по Гиббсу (алгоритм генерации выборки совместного распределения), используемого в глубоком обучении. В это же время IBM предоставляет бесплатный онлайн-доступ к двум своим чипам.
Lockheed Martin Corporation — американская военно-промышленная корпорация, специализирующаяся в области авиастроения, авиакосмической техники, судостроения, автоматизации почтовых служб и аэропортовой инфраструктуры и логистики;
Лаборатория QuAil (The Quantum Artificial Intelligence Lab) — коллаборация Google, NASA и USRA (The Universities Space Research Association);
Лос-Аламосская национальная лаборатория, которая занимается разработкой и изучением ядерного оружия;
Институт информационных наук при Университете Южной Калифорнии;
Temporal Defence Systems, компания, занимающаяся кибербезопасностью;
Национальная лаборатория Ок-Ридж, принадлежащая Министерству энергетики США.
Для характеристики адиабатических компьютеров используются спины (их тоже часто называют кубитами, потому что в каком-то смысле это одно и то же). Квантовые вычислители подходят для оптимизационных проблем (безусловная оптимизация, бинарная оптимизация) и для обучения нейронных сетей. Volkswagen использовал компьютер D-Wave для оптимизации маршрутов такси в Пекине. А вот симуляция химических веществ — цель компьютеров IBM и Google. В долгосрочной перспективе нам нужны оба типа — нам нужно оптимизировать маршруты самолетов, финансовые портфели и многое другое, а также нам нужны лучшие лекарства и материалы.
Что касается квантовой революции в машинном обучении, то пока не ясно, когда она произойдет. Пока мы даже не знаем, какой из основных доступных процессоров станет первым в вычислениях, с которыми классический компьютер не может справиться. Однако мы считаем, что это произойдет в ближайшие несколько лет.
После успеха проекта, посвященного оптимизации маршрутов пекинских такси (компании удалось «развязать» транспортные заторы, созданные тысячами автомобилей), Volkswagen планирует задействовать квантовые компьютеры для симуляции сложной химии батарей автономных транспортных средств, а также для машинного обучения в области распознавания окружающей среды этими автомобилями.
Ближайшее квантовое будущее
Существуют и другие типы квантовых компьютеров. Например, канадский Xanadu основан не на кубитах (хотя он может имитировать кубиты), а на непрерывных переменных фотонных системах. Возможно, какой-то из этих проектов и станет той самой прорывной технологией, которую ждет мир.
В ближайшие 3-5 лет у нас будет все больше и больше типов квантовых компьютеров, основанных на сверхпроводниках, а не на фотонике. D-Wave и чипы Google и IBM основаны сверхпроводниках. Эта технология наиболее близка к тому, что у нас уже есть: можно использовать уже существующие мощности для создания компьютеров.
В феврале 2018 года в рамках инвестиционного форума «Сочи-2018» Внешэкономбанк, компания «ВЭБ Инновации», Фонд перспективных исследований (ФПИ), МГУ имени Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» подписали соглашение о создании в России 50-кубитного квантового компьютера на основе фотонных чипов и нейтральных атомов. В планах — построить компьютер в ближайшие 5 лет; предполагается, что инвестиции в проект составят 900 млн. рублей. Инициаторы проекта планируют при помощи компьютера быстро синтезировать эффективные медицинские препараты и создавать материалы с заранее заданными свойствами.