Когда в России появится свой квантовый компьютер
Алексей, помните известную историю про Альберта Эйнштейна, которого девятилетний сын спросил, почему отец так знаменит. Великий физик ответил: "Понимаешь, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут, мне же посчастливилось это заметить". А как вы могли бы объяснить такую сложнейшую вещь, как квантовый компьютер, скажем, попав в восьмой класс?
Алексей Федоров: Думаю, мне проще, чем Эйнштейну, ведь нынешние восьмиклассники уже на "ты" с информатикой, учатся программировать, знают, что для кодирования информации применяется двоичная система с "0" и "1", что биты - это элементарная информационная единица. Так вот школьникам я бы сказал, что в квантовом компьютере такой элементарной единицей является не бит, а кубит. Для наглядности можно представить себе сферу. Два ее полюса являются классическими битами, "0" и "1", а состояния кубита - это все возможные точки сферы, то есть к "0" и "1" добавляются все их возможные комбинации. Говоря совсем просто, состояния бита - это две точки сферы, а состояния кубита - вся сфера.
Почему суперкомпьютер тугодум по сравнению с квантовым
Эйнштейн вашу аналогию, думаю, оценил бы. Но все же, чем квантовый компьютер принципиально отличается от традиционного? Они работают по разным законам?
Алексей Федоров: Да, по разным. Проиллюстрировать это можно так. В классическом компьютере бит реализуется в транзисторном переключателе, у которого только два положения - "включен" и "выключен", то есть либо "0", либо "1". Из миллионов, а уже и миллиардов таких "рубильников" собирают процессор. Квантовый "рубильник", благодаря законам квантовой физики, живет одновременно и в двух состояниях, "0" и "1", и во всех их комбинациях. Это позволяет квантовому компьютеру во много раз быстрее решать определенные задачи за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций.
Например, надо 100 гостей рассадить по двум столам так, чтобы найти один единственный вариант, который устроит всех. Для перебора всех вариантов суперкомпьютеру, который выполняет триллионы операций в секунду, потребовалось бы несколько тысяч лет, а квантовому - минуты.
Словом, самый мощный суперкомпьютер на фоне квантового смотрится почти калькулятором. Но о феноменальных способностях "кванта" говорят уже лет 40, однако о кардинальных прорывах почти не слышно. Более того, за эти годы сформировалась группировка скептиков, которые утверждают, что квантовый компьютер вообще никогда не будет создан. Что он останется игрушкой в руках тех, кто морочит публике голову обещаниями чудес, умело выбивая огромные деньги. Словом, удовлетворяют свое любопытство за чужой счет.
Алексей Федоров: Сначала о прорывах. Могу сказать, что они происходят. Например, несколько групп в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства. Что это такое? Квантовые компьютеры, собранные из нескольких десятков кубитов, за пару минут справились с задачами-тестами, на которые у суперкомпьютеров ушло бы тысячи лет. Правда, надо подчеркнуть, что пока речь идет только об абстрактных тестах, которые не связаны с реальными прикладными задачами. Для решения практических задач, как мы полагаем, нужны квантовые процессоры из многих сотен, тысяч и даже миллионов кубитов.
В поисках лидера
Так в чем проблема? Если уже есть компьютер из десятка кубитов, почему нельзя, как в конструкторе лего, собрать вычислитель из тысячи? Ведь в современных суперкомпьютерах миллионы транзисторов.
Алексей Федоров: Пока неясно, на чем строить системы с большом числом кубитов. Основа классического суперкомпьютера - кремниевые транзисторы. У квантового совсем другая "основа". Сегодня конкурируют несколько вариантов: элементная база может быть на атомах, ионах, сверхпроводниковых цепочках, фотонах. Кроме того, важно подчеркнуть, что квантовые состояния крайне неустойчивые, "хрупкие". Поэтому для контроля их состояний и защиты от различных воздействий необходимы специальные условия, например охлаждение до очень низких температур для сверхпроводников. Словом, на пути к мощному квантовому компьютеру еще предстоит решить немало сложных научных и инженерных задач.
Вы сказали, что квантовые состояния неустойчивы. А если таких капризных процессоров не один, не десяток, а тысячи, то как можно довериться расчетам этого компьютера? Он такое может выдать...
Алексей Федоров: На заре развития квантовых компьютеров это был один из самых "больных" вопросов: может ли квантовый компьютер справиться с ошибками из-за "хрупкости" квантовых состояний. Но сегодня уже понятно, как принципиально решать эту проблему, поэтому нет принципиального препятствия для создания мощного квантового компьютера.
Однако остается самый главный вопрос: какой элементной базе из названных мной четырех вариантов в конце концов отдать предпочтение? А ведь кроме них есть примерно десяток других довольно перспективных. Если бы мы сделали окончательный выбор лидера, то можно было все деньги вложить в него и в итоге научиться штамповать технику из миллионов кубитов. Но пока ясности нет, делать ставку на что-то одно рискованно, а потому необходимо параллельно развивать разные направления. В этом сходятся почти все эксперты.
Какой мощности процессоры уже созданы? И почему, сумев достичь квантового превосходства в абстрактных тестах, они беспомощны в реальных востребованных экономикой задачах?
Алексей Федоров: Прежде всего, не хватает мощности. Раньше думали, что для решения некоторых прикладных задач хватит 100 кубитов. И хотя такие системы сегодня уже созданы, но пока они с этим не справляются. В то же время Google и IBM анонсировали, что через десять лет намерены построить квантовые компьютеры с миллионом кубитов. И вот они уже выйдут "в люди", будут решать сложнейшие прикладные задачи, которые в принципе не под силу самым мощным суперкомпьютерам.
Планы, прямо скажем, наполеоновские. А что мы? Недавно было заявлено, что в России создан процессор на два кубита. На фоне уже достигнутых у ведущих фирм сотен кубитов выглядит более чем скромно. А миллионные планы - это что-то заоблачное... Неужели история повторится? Как и с обычными компьютерами мы и с квантовыми отстанем навсегда?
Алексей Федоров: Пока мы в числе догоняющих. Но хочу подчеркнуть принципиальный момент. Если мы будем идти уже проторенной кем-то дорогой, штамповать то, что кем-то придумано, то всегда будем плестись в хвосте. Надо создавать принципиально новое, чтобы перепрыгнуть через рубежи, которые проходили конкуренты. И такие примеры уже есть, в частности, в конце прошлого года продемонстрирована работа четырехкубитного квантового процессора на основе ионов. Поиск и реализация нестандартных решений сократит отставание от лидеров, которые опережают нас примерно на 7-10 лет.
Но лидеры вкладывают в это направление миллиарды долларов, приняты национальные программы . А что у нас?
Алексей Федоров: В России квантовый компьютер будет разрабатываться в рамках "дорожной карты" по развитию квантовых вычислений, которую ведет "Росатом". На это предполагается потратить около 24 млрд рублей. Это меньше, чем, скажем, в США или Китае, но, повторяю, - оригинальные идеи позволят нам на равных участвовать в квантовой гонке. Стоит подчеркнуть, что с идеями у российских ученых всегда было все в порядке. А в последнее время в модное сегодня "квантовое направление" приходит много очень талантливых молодых ребят, например, на нашей кафедре на Физтехе уже более 100 студентов! Все это дает надежду, что у нас появится свой квантовый компьютер и понимание о его практическом применении.
Как инженер стал теоретиком
Вас, наверно, называли вундеркиндом. Ведь вы в 15 лет поступили в Бауманку. Кстати, как студент инженерного вуза вдруг оказался в сугубо теоретической квантовой физике?
Алексей Федоров: В школе толком не знал, чем хочу заниматься. У меня инженерная семья. Инженерами были прадедушка, дедушка, мама, брат учился в Бауманке. У меня сложился образ русского инженера-созидателя, которым быть очень почетно. Под этим влиянием и поступил в этот вуз. Но когда начал учиться, понял, мне не хватает физики, пошел на эту кафедру, познакомился с новыми преподавателями, ходил на различные научные семинары. Узнав, что создается Российский квантовый центр, написал туда письмо, что хочу у вас поработать. Его руководитель Александр Львовский ответил, что в центре нужны физики, а я инженер. Другой профиль. Тогда я попросил, скажите, что почитать, что выучить, я все сделаю. Если надо, возьму академический отпуск. Саша мне посоветовал литературу, я читал, мы с ним переписывались, потом встречались, говорили про физику. Моя настойчивость и упорство, наверно, произвели положительное впечатление. И он написал мне письмо-приглашение в квантовый центр Калгари, где тогда был профессором. Сейчас он профессор Оксфордского университета. Дорогу мне оплатил мой университет, а зарплату платил Саша. Там я проходил стажировку. А когда она закончилась, он поручил мне создать аналогичную лабораторию в России.
Но ведь вам было всего 18 лет... И откуда время? Ведь продолжали учиться в таком сложном вузе.
Алексей Федоров: Все делалось под руководством Львовского, который возглавил научную лабораторию в РКЦ, а я по его поручениям вел многие организационные вопросы. Закупал оборудование, занимался даже строительными вопросами, а параллельно - учебой и научной работой, планированием будущих экспериментов. А время? Был более энергичным, чем даже подозревал. С третьего по пятый курсы вообще не было ни минуты свободного времени. Работал днями и ночами. Вот так и получилось, что создали лабораторию за полгода, пошли эксперименты.
Потом работали в США, Франции, Китае, Швейцарии. Предлагали остаться? Ведь был шанс поработать на самом передовом крае, где квантовый компьютер из теории уже становится реальностью? А здесь пока далекая перспектива...
Алексей Федоров: Шанс, конечно, был, но в какой-то момент я твердо решил работать в России. По двум соображениям. Первое - сугубо практическое. За границей уже все налажено, структуры созданы, научную карьеру в моем возрасте там придется начинать с нижней ступеньки. И первое время реализовывать идеи научного руководителя. В России ситуация иная. У нас все только начиналось, можно выиграть грант и создать собственную группу. Кстати, в Китае мне предложили нечто похожее, но сама система, конечно, совершенно другая.
Кроме практического было и, так сказать, романтическое соображение. Я читал статьи российских ученых, которые сделали себе имя за границей и решили вернутся на родину. Среди них был Артем Оганов. Он оставлял постоянную позицию профессора в американском университете, чтобы создать лабораторию в России. Его пример на меня как-то особенно подействовал и вдохновил.
Слушая ваши лекции о сложнейших для подавляющего большинства темах, думаешь, этот человек живет в каком-то особенном мире. Чем занимаетесь в "нормальной" жизни?
Алексей Федоров: Например, играю в футбол. Вообще у меня достаточно широкий круг общения. Причем далеко не все ученые. Кто-то работает в бизнесе, кто-то на предприятиях, кто-то создает стартапы. Люблю путешествовать, открывать новые места. Читаю книги, по большей части биографические. С удовольствием смотрю сериалы. Рекомендую сериал "Теория большого взрыва", помогает сформировать представление о работе ученых и современном научном мире.
Зачем нужен квантовый компьютер
Сразу отметим, что они не универсалы, пригодны далеко не для всех задач. У них хотя и обширная, но своя ниша. К тому же они очень дороги, требуют высококлассных специалистов и особых условий для работы, например температуры -273 градуса Цельсия.
Одна из главных сфер применения квантового компьютера - искусственный интеллект. Этот тандем способен совершить революцию во многих отраслях экономики. Также считается, что квантовые компьютеры лучше справятся с моделированием молекул, созданием новых химических соединений, в том числе персональных лекарств. А еще эта техника обеспечит абсолютную защиту любой информации от попытки ее взломать, оставив без работы злостных, самых изощренных хакеров.
Ждут появления полноценного квантового компьютера финансисты и климатологи. Первым он крайне необходим для моделирования современных рынков и финансовых операций, вторым для составления более точных сценариев климата и прогнозирования погоды.
Специалистами лидирующего исследовательского центра по квантовым вычислениям (проект возглавляет Российский квантовый центр, участвуют ФИАН им. Лебедева, Сколтех, ФТИАН им. Валиева) создана экспериментальная платформа для квантовых вычислений на основе ионов - одного из перспективных подходов для создания квантовых компьютеров. В декабре прошлого года в рамках "дорожной карты" по развитию квантовых вычислений был проведен эксперимент по демонстрации работы четырехкубитного квантового процессора, который использует для обработки информации не кубиты, а кудиты - многоуровневые квантовые системы, суперпозиции не только "0" и "1", но и большего числа состояний. Таким образом, без наращивания количества ионов, а за счет использования большего количества их состояний, удалось масштабировать квантовые процессоры.