Квантовые компьютеры — это странные устройства. Атомы в них могут существовать в двух разных состояниях одновременно, а сами устройства настолько отличаются от классических компьютеров, что их трудно понять. Но квантовые компьютеры — это и прекрасные устройства, ведь они могут решить те задачи, с которыми ничего больше не справится. «Хайтек» поговорил с Алексеем Федоровым, руководителем научной группы РКЦ, о том, как понять квантовые технологии и перестать их бояться.
«За последние 25 лет в квантовых технологиях произошел колоссальный прогресс»
— Медиа очень много пишут о прорывах в области квантовых технологий. Есть ли разрыв между реальной технологией и тем, что пишут в СМИ?
— Квантовые технологии привлекают большое внимание по нескольким причинам. Во-первых, они связаны с квантовой физикой — очень интересной научной теорией, которая описывает мельчайшие объекты, с которыми мы можем взаимодействовать. Эта наука помогает описывать состояния квантовых объектов, а также управлять ими. Выводы, которые получаются из квантово-механического рассмотрения, часто противоречат тому, к чему мы привыкли — нашему «классическому» опыту.
Во-вторых, сейчас появляются первые приборы и устройства, построенные на принципах управления отдельными квантовыми системами, и их развитие позволяет решать задачи, с которыми не справляются современные суперкомпьютеры. Можно решать и другие важные задачи. Например, передавать информацию так, чтобы защищенность гарантировалась фундаментальными физическими законами, а также с предельно допустимой точностью измерять параметры окружающей среды, температуру, параметры электромагнитных полей и так далее.
Разрыв между ожиданиями от квантовых технологий и реальным статусом их развития есть, но он не критичен. Экспертное сообщество довольно консервативно, оно говорит о постепенном прогрессе и переходе от простого к сложному. Если посмотреть на то, что произошло за последние 25 лет, — это колоссальный скачок вперед. В сфере квантовых вычислений мы прошли путь от демонстрации базовых принципов работы разного типа квантовых вычислительных устройств к решению вычислительных задач, которые недоступны для классических компьютеров.
— У вас есть какие-то маркеры того, что разработка в этой сфере достойна внимания? Сейчас все делают упор на количество кубитов — это объективный показатель?
— Количество кубитов как отдельный параметр не помогает оценить статус развития квантовых вычислений. Если вас интересует какое-либо научное достижение и вы хотите понять его статус, насколько тот или иной результат достоин внимания, есть один простой и очень верный рецепт — проверять, что результаты прошли верификацию научным сообществом.
Например, Google перед демонстрацией квантового превосходства тщательно готовили научную статью. Они работали над ней длительное время, полагаю, около года, чтобы убедить научное сообщество в корректности выводов. Статья опубликована вместе с колоссальным количеством дополнительных материалов в одном из самых авторитетных научных журналов. Поэтому, несмотря на проблемы «перегрева» и переоценки возможностей, при оценке технологий хорошо бы посмотреть статус научных публикаций на эту тему в ведущих журналах.
Говоря про количество кубитов, сообщество пытается выбрать одно понятно число, чтобы через него объяснить весь прогресс. Поэтому мы видим публикации про 2, 10, 15, 5 000 кубитов, — но что это значит? Мое осторожное предположение в том, что в ближайшее время мы все чаще будем слышать не про количество кубитов, а про возможности систем решать реальные задачи.
Есть и другое направление квантовых технологий — квантовые коммуникации или, более точно, квантовое распределение ключей. Здесь другие критерии — скорость генерации ключей, возможность интеграции квантовых решений в классическую инфраструктуру. Многие из них более трезво оценивают разработки, чем одна метрика или параметр.
— Какие технологии в этой области заинтересовали лично вас?
— Я начинал с того, что занимался квантовыми коммуникациями и постквантовой криптографией. Это два направления, связанные с защитой информации в эпоху появления квантового компьютера. Если квантовый компьютер будет достаточно мощным — с большим количеством хороших кубитов, — он сможет взламывать некоторые современные криптографические алгоритмы. Мы же разрабатывали новое поколение устройств, алгоритмов и инструментов для защиты данных, которые можно противопоставить угрозам с применением квантового компьютера. Эти технологии уже дошли в зрелую фазу и развиваются не РКЦ, а отдельными компаниями.
Сейчас я сфокусирован на квантовых вычислениях. Мы работаем в области создания алгоритмов и программного обеспечения для будущих квантовых компьютеров. Главный вызов для всего сообщества, интересующегося квантовыми алгоритмами — это понять, можно ли достичь вычислительного превосходства в решении практических задач с текущим или грядущим поколениями квантовых компьютеров.
— Сохранность данных — это единственная угроза, которая есть от квантовых компьютеров? Или есть и другие аспекты, о которых стоит беспокоиться?
— Основная угроза идет в сторону обеспечения информационной безопасности. Но есть и другие сложности — решение некоторых задач с помощью квантовых компьютеров мы не можем верифицировать, поэтому не можем их использовать. Но это не уникальная проблема — она есть и в классических суперкомпьютерных вычислениях. Ведь если суперкомпьютер в единственном экземпляре решает какую-то задачу, то как верифицировать это решение? В классических вычислениях люди на протяжении многих десятилетий думали, как это сделать и как эти инструменты можно адаптировать для квантовых вычислений.
— В области ИИ и машинного обучения часто говорят о внешнем регулировании, чтобы технология не вышла из-под контроля. В квантовых технологиях тоже есть такие разговоры или пока рано об этом говорить?
— Опыт машинного обучения будет полезен для квантовых компьютеров — плюс-минус речь об одном и том же. Но как его использовать? Мне кажется, надо доверять сложным технологиям, даже если их функционирование нам не полностью понятно. С этими решениями можно будет работать и можно сделать так, чтобы они нам не навредили.
— Вы не беспокоитесь, что топорная регуляторика остановит прогресс в этой области?
— Я технологический позитивист. Считаю, что любая технология, несмотря на риски, несет в основном преимущества, если к ней относиться здраво.
«Ведущие журналы остаются нейтральными — такими, какой и должна быть современная наука»
— Сложно ли заниматься квантовыми технологиями в России? Кто сейчас главный заказчик, что он хочет получить на выходе?
— Есть тренд на то, что государство — основной инвестор в сфере развития квантовых технологий. Если посмотреть на финансирование, — основной объем идет через государственные программы, так называемые дорожные карты развития квантовых технологий. Они есть во всех развитых технологических странах — США, странах ЕС, Канаде, Японии, Великобритании, Австралии, Китае.
Помимо этого, есть большой объем финансирования со стороны частных компаний и инвесторов. Частные деньги позволяют двигаться значительно быстрее и требуют более простой отчетности. И по некоторым направлениям наилучшие показатели мы видим в стартапах, где-то — в корпорациях, традиционно связанных с вычислениями. Тон задают Google, IBM, Intel и их университеты-партнеры.
В России тенденция к финансированию от государства тоже есть, у нас принята дорожная карта по развитию квантовых вычислений, в рамках которой идет работа по строительству нескольких квантовых процессоров и облачного софта. Это значительные средства, но все относительно. Однажды после лекции, где я рассказывал про финансирование, ко мне подошел ученый, который занимается биотехнологиями, и недоумевал, почему так мало денег в мире тратится на квантовые технологии.
— Как квантовые технологии развиваются в России? Есть ли стартапы, которые этим занимаются?
— Динамично. Исторически многое для квантовых технологий придумали в СССР и России. Если посмотреть на Нобелевские премии, которые вручили за квантовые технологии первой волны, они связаны с работами в области физики низких температур, ставшими основой современных квантовых вычислений. Наша школа и интерес сохранились, все располагает для работы в этом направлении. Даже идея квантового компьютера у Ричарда Фейна в США и у Юрия Манна, советского математика, возникла параллельно.
Сейчас планы в том, чтобы разрабатывать квантовое железо, процессоры на различных физических принципах. Практика показывает, что двигаться в этом направлении можно. Это очень конкурентная область, каждый день появляются новые идеи, на которые нужно реагировать. Я настроен оптимистично — нужно предлагать что-то новое и двигаться в своем направлении, а не полностью базировать свои разработки на чужих идеях, чтобы кого-то когда-нибудь догнать, а в будущем и перегнать.
Квантовые стартапы есть. Я уже говорил про QRate и QApp, занимающиеся квантовой и постквантовой криптографией соответственно. Мы сейчас работаем над запуском стартапа в области квантовых вычислений.
— Связан ли недостаток финансирования с большим горизонтом планирования в квантовых вычислениях?
— Да, частным инвесторам нужны явные результаты и адекватные временные горизонты. Государственные инвестиции позволяют двигаться чуть более стратегически. Но по мере развития технологии и ее адаптации эти инвестиции будут увеличиваться, приобретать другие формы.
— Как на вашей работе сказалась изоляция от международного сообщества ученых?
— Был очень турбулентный период, который поставил коллег в довольно тяжелое положение. Но мы были и остаемся открыты к взаимодействию. Сложности и преграды появились с той стороны — часто они были навязаны административными правилами. Но за последнее время я вижу позитивную тенденцию. Мы продолжили те совместные статьи и работы, которые планировали с коллегами. Надеюсь, так будет дальше.
Прогнозировать сложно, но у нас довольно долгий горизонт планирования совместных работ. Пока удается двигаться по плану, но случаются перегибы — иногда научные сотрудники пишут странные комментарии о том, что нужно подтвердить или опровергнуть причастность к некоторым политическим идеям. Но в целом ведущие журналы остаются нейтральными — такими, какой и должна быть современная наука. Скажем, за последнее время российские ученые продолжили публиковаться в изданиях Американского физического общества. Все сохранилось, все работает.
«Одни говорят, что квантовые технологии никому не нужны. Другие — что они смогут решить любую задачу»
— Есть ли какие то заблуждения или неточности, которые вам чаще всего бросаются в глаза?
— Основная — полярность мнений о квантовых технологиях. Одни говорят, что квантовые вычисления никому не не нужны, никогда не будут работать, а квантовые компьютеры невозможно построить. Такие научные статьи продолжают выходить до сих пор. А есть гипероптимистичные коллеги, которые пытаются использовать квантовый компьютер для всего и решать любые задачи.
Обе крайние точки зрения вызывают у меня недоумение, но есть и здравая позиция. У нас пока есть основания считать, что квантовый компьютер обеспечит ускорение в каком-то классе задач. Я за взвешенный подход, ориентированный на проверку гипотез, а если какие-то из них не подтверждаются — в этом нет ничего страшного, это ведь просто гипотезы.
Еще забавно, что физики, видимо, в глубине души романтики. Поэтому они иногда выбирают не самые удачные названия для научных работ или явлений. Например, есть квантовая телепортация. Часто возникает вопрос: можно ли телепортировать человека методами квантовой телепортации? Но надо понимать, что квантовая телепортация — это не физическое перемещение массы из одной точки в другую, а передача квантовых состояний.
Многие термины, которые возникают в научном сообществе, нужно правильно объяснять. Например, квантовая псевдотелепатия — вполне научное явление. Или, скажем, квантовая гомеопатия — тоже. Если посмотреть на все это неподготовленным взглядом, может возникнуть недоумение. Но в этом случае термины имеют очень отдаленное отношение к каноническому определению телепатии и гомеопатии.
— Могут ли обычные люди прикоснуться к квантовым компьютерам?
— Да, написать базовый квантовый алгоритм и увидеть, что так можно ускорить решение задачи. Прелесть таких алгоритмов в том, что они достаточно простые и красивые. По ним можно понять, как работают квантовые вычисления, увидеть роль запутанности и суперпозиции в решении задач.
Или можно приехать на экскурсию в Российский квантовый центр, увидеть, на какой стадии эти технологии, как их разрабатывает целая команда ученых, прежде чем они станут устройствами, которые реально используются на практике.
— Почему вы технооптимист? Какие у вас есть аргументы, что технологии нам не навредят?
— Во многом это связано с тем, что у всего нет одной явной стороны. История показывает, что одно и то же научное достижение или технологию можно использовать по-разному. Например, ядерные технологии дали нам и энергию, и новый тип вооружений.
Но я оптимист, потому что позитивные стороны технологии все равно будут использоваться для достижения общего прогресса. Это работает и с квантовыми вычислениями — устройства и технологии, позволяющие защитить данные, появятся гораздо раньше, чем квантовый компьютер, который способен взломать что угодно. Такие шаги помогут нивелировать негативные стороны и максимизировать пользу — это сработает и с машинным обучением, и с биотехнологиями. Поэтому я убежден, что мы будем использовать квантовые компьютеры именно для решения самых сложных задач, которые сегодня стоят перед человечеством.
Читать далее:
Археологи официально подтвердили сказания из Библии
Выяснилось, что происходит с клетками тела, когда умирает сердце
Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS