Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему

«Классический компьютер разложит число в 2 048 бит за 1 000 000 000 000 лет. А квантовый компьютер — за 10 секунд»

— Почему все вокруг говорят о квантовых компьютерах? Что они умеют сейчас и что будут уметь уже скоро?

— Создание квантового компьютера — одна из фундаментальных проблем физики XXI века. На прошлой неделе даже Нобелевскую премию дали физикам за демонстрацию квантовой запутанности, принцип лежащий в основе квантовых компьютеров. Если вы знаете про закон Мура (количество транзисторов на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года — ред.), то в последние годы он перестал выполняться, и даже производители микропроцессоров ушли от такого понятия, как техпроцесс. Нанометры, про которые сейчас все говорят, — это скорее маркетинговые штуки.

Сейчас в литографии есть новая ветка развития — экстремальный ультрафиолет, где светят длиной волны 13,5 нм. Это рекордная длина волны, которую можно получать стабильно и делать чипы в пределе 2-3 нм, снижая дифракционный предел различными оптическими ухищрениями. Но что делать дальше, — непонятно. Возможен тупик в уменьшении транзисторов на горизонте 5–10 лет.

Тут может помочь фундаментальное отличие квантовых и классических вычислений. Классические — последовательны, а квантовые природным образом позволяют делать полностью параллельные вычисления. То есть каждый квантовый бит может вычислять параллельно с другими квантовыми битами системы. При этом бит может иметь несколько состояний одновременно — быть и нулем, и единицей. Или вообще многоуровневой системой, но мейнстрим сейчас — кубит, у него два уровня. Вычислительная мощность растет экспоненциально с добавлением кубитов в систему (2ⁿ). А в обычной системе она растет квадратично (n²).

Современная наука находится в стадии понимания, что такое квантовая механика. Все законы частиц, взаимодействия атомов между собой описывается законами квантовой механики. Эта наука отличается от того, что было до нее. Например, в квантовой механике есть принцип суперпозиции, благодаря которому размерность пространства состояний растет экспоненциально.

Классический компьютер просто не может это смоделировать. А квантовый компьютер сам построен на таких явлениях и умеет работать с такими системами. Плюс в квантомеханической системе есть амплитуды вероятности с комплексными числами — у обычных компьютеров такого нет.

Если взять задачу по разложению какого-то числа в 2 048 бит, то классический алгоритм будет раскладывать его за тысячу шагов и за 1 000 000 000 000 лет. А алгоритм Шора, если бы был квантовый компьютер с нужным количеством кубит, сделает это за 107 шагов — примерно 10 секунд. Пока таких квантовых компьютеров нет, но те, которые есть, уже умеют делать то, на что классическому компьютеру понадобится огромное количество времени.

— Квантовые компьютеры оправдают те надежды, которые на них уже возложили?

— Давайте сначала поймем, что нужно для появления квантового компьютера. Физик Дэвид ди Винченцо грамотно сформулировал пять основных критериев:

1. Сформулировать, что такое кубит. Они бывают разные, сегодня есть несколько известных платформ — на атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах.
   
2. Уметь вводить кубит в суперпозицию. Понять, как сделать так, чтобы кубит одновременно был нулем и единицей. В каждой из платформ введение в суперпозицию — отдельная задача и это позволяют делать разные физические принципы.
   
3. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе.
   
4. Сохранять это когерентное состояние как можно дольше.
   
5. Производить измерения над нашим квантовым компьютером.

За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли. Но и работать в криогенике намного сложнее. Все это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов. Например, IBM выпустил 128-кубитную систему.

Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чем разница? Точность квантовых вычислений должна быть порядка 99,9999999999999% — тогда мы считаем, что она очень высокая. Но сегодня она плавает от 90 до 99%, это очень низкие параметры, с их помощью сложно вычислять точно, процент ошибок будет высоким. Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности.

Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов. Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов.

Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами.

Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память.

— Что изменят квантовые компьютеры?

— Они умеют решать огромный круг задач — например, для бионаук. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют. Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс.

Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами. А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Еще ускорится разработка новых материалов для космических полетов, двигателей, сверхпроводящих систем. Появятся новые электролиты для батареек, которые уже 20 лет стоят на уровне 200-250 Вт*ч на килограмм по плотности энергии на массу. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем.

За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать. Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций (типа преобразования Фурье) — это уже будет серьезным прогрессом. А это только один шаг к созданию универсального квантового компьютера. Поэтому такой хайп.

— Но их можно использовать только в пределах науки? 

— Нет, в любых видах оптимизации — например, там, где используется теория графов. Их уже применяют для оптимизации финансовых портфелей, маршрутов, оптимизации ИИ-алгоритмов.

«Кубиты — это хорошо, но это не говорит о скорости и точности вычисления»

— Есть ли еще какие то проблемы, которые непонятно, как решить? Что может остановить прогресс?

— Основная — это создание кубитов в большом количестве и их связывание, время жизни всей системы. Допустим, если время жизни системы 0,001 секунда, то можно не успеть вычислить что-то важное. Надо думать, как удерживать качество вычислений и масштабировать их.

Возьмем компанию IonQ — в нее проинвестировали уважаемые инвестиционные фонды со всего мира, она даже стала публичной. Они делают системы на ионах, и проблема в том, что там есть ионные ловушки, но есть предел количества ионов, который можно уловить. И надо придумать механизм связывания ловушек между собой. С этим пока большие проблемы — это сильно мешает масштабировать систему. У других платформ есть похожие серьезные проблемы.

Еще есть проблемы с оборудованием — иногда под квантовые компьютеры нужно изобретать новые устройства. Например, специальную оптику, лазеры, вакуумное оборудование, криогенные камеры. Проблем много, но это путь развития — микроэлектроника уже прошла его. Это нормально: под каждый новый процесс промышленность адаптируется и придумываются новые проводящие металлы и другие открытия. Просто вся система пока на ранней стадии зрелости.

— Как не специалистам, которые интересуются квантовыми компьютерами, понимать, действительно ли новое открытие — шаг вперед для этой отрасли или очередная новость ради кликов? На что обратить внимание? Например, количество кубитов — это показатель?

— Лучше попытаться разобраться в этом на более глубоком уровне. Если совсем не понимаешь, — эти бенчмарки очень поверхностно раскроют суть прогресса, а иногда даже введут в заблуждение. Как, например, с количеством кубитов — на самом деле это хорошо, но не говорит о том, насколько система умеет вычислять и с какой точностью.

Для меня важно количество связанных между собой логических кубитов, точность вычисления, время жизни системы и способность вычислять практические алгоритмы.

— Разработка квантовых компьютеров — это долго, дорого и сложно. Поэтому кажется, что этим занимается очень ограниченное число организаций. Не значит ли это, что такие устройства будут работать только в пользу корпораций и государств?

— Те, кто сделали более-менее работающую машину, обычно открывают к ней облачный доступ. И можно писать свои квантовые схемы и считать алгоритмы. Каждый разработчик заинтересован в увеличении количества практических задач, которые можно делать на их квантовом компьютере, поэтому стоимость удешевляется.

По количеству инвестиций в сектор можно сделать вывод о том, что прогресс есть. Это косвенный параметр — если сотни инвесторов вкладывают и отрасль растет, это говорит о многом. И с 2019-го количество инвестиций растет — от $300 млн до $2,3 млрд. Видимо, мы близки к решениям, которые станут практическими. 

Но при этом есть всего 80 организаций, которые делают квантовые компьютеры. Но цифры говорят, что в hardware проинвестировали 1,5 млрд. И из них львиную долю забрали 12 компаний. Специалисты здесь нужны в квантовой физике, математике, инженеры нарасхват. Интересный факт: советская школа здесь считается сильной. Мы пообщались со многими из 260 активных компаний в этой сфере — в 20% из них есть русские инженеры, физики или математики.

«Российские ученые отстают от мировых на 3–5 лет»

— А внутри России как с квантовыми технологиями?

— Не очень. В России есть программа и дорожная карта развития квантовых технологий с бюджетом примерно $1 млрд до 2024 года. Программа разделена на несколько дорожных карт — квантовые вычисления (курирует Росатом), коммуникации (РЖД и Центр метрологии) и сенсоры (Ростех). «Газпромбанк» тоже во всей этой игре, потому что они основной инвестор квантового центра. Например, уже появилась специальная квантовая линия связи между Москвой и Петербургом — это основной протокол квантовой криптографии сегодня.

Наверное, основные игроки в квантовых вычислениях — это РКЦ, ФИАН, МГУ.

— Какие у них есть разработки, о которых стоит поговорить?

— По дорожной карте они делают квантовые компьютеры на разных платформах — атомах, ионах, фотонах, сверхпроводниках. По моим ощущениям, они отстают от мировых компаний на 3–5 лет. Но у них серьезные кадры и подход — они однозначно разработают что-то полезное.

— Исследователи опасаются, что технология выйдет из-под контроля? Ее уже пытаются регулировать?

— Мы пока на пути к регуляции, пока все озабочены созданием hardware. Как только появится что-то серьезное, — дойдет и до ограничений. Но все опасаются за свои данные. Например, сейчас можно защитить данные квантовым шифрованием и снизить вероятность того, что квантовый компьютер сможет это взломать. Но если кто-то скопировал данные и ждет, пока появится квантовый компьютер, — он сможет их потом расшифровать. Сейчас это и есть основное опасение.

Читать далее:

Катапульта отправила в небо спутники НАСА

Гигантская магнитная буря приближается к Земле

Воссоздать Солнце на Земле: как физики решили главную проблему термоядерного синтеза