Новости
В студии «МАЕР» на МФМ в Екатеринбурге Илья Семериков, лауреат премии «Вызов», объяснил, что такое квантовый компьютер. Почему Россия лидирует в создании многоуровневых кудитов, когда исчезнет фатальный шум вычислений и сколько лет осталось до эры машин, способных перевернуть мировую экономику?
Илья Семериков, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), внешний исследователь Российского квантового центра (РКЦ), лауреат премии «Вызов».
— Давайте начнём с самого простого. Наша тема сегодня обозначена как «Когда начнётся эра квантовых компьютеров». Для большинства людей это понятие знакомо, но далеко не всем. Особенно люди без физического образования вряд ли представляют, даже на малую толику, что такое квантовый компьютер. Вы можете простыми словами, насколько это возможно, объяснить, что это такое и как он работает?
— Наверное, если говорить для наиболее широкой аудитории, то квантовый компьютер — это устройство, которое вычисляет; это компьютер, а для вычислений он использует одиночные атомы. То есть не транзистор в нашем привычном понимании, не какую-то микросхему, а прямо отдельный атом. Бывают и другие виды квантовых компьютеров, но они тоже работают с квантовыми системами.
Пожалуй, это мы для ясности опустим. Если опять же подытожить, то квантовый компьютер — это компьютер, который работает с отдельными атомами.
Фото: rosbalt.ru
— Вы создаете ионный квантовый процессор с использованием кудитов — систем, которые могут хранить больше информации, чем мы сейчас можем представить. Почему это принципиально важно для будущих вычислений?
— Вообще, квантовые вычисления — довольно сложная история. Квантовый компьютер хорош тем, что он может запускать принципиально другие алгоритмы, которые нельзя запустить на классическом компьютере; соответственно, при этом для некоторых задач эти алгоритмы гораздо более эффективны. Квантовый компьютер не считает быстрее, он делает меньше шагов для решения той же задачи.
И вот использование кудитов, использование многоуровневых квантовых систем позволяет еще заметно снизить число элементарных операций, которые нужно выполнить для реализации алгоритма. Почему это, опять же, важно? Потому что на сегодня квантовые компьютеры ограничены шумами. Они могут сделать не слишком много шагов. Если говорить прямо, недостаточно шагов, чтобы решить любую полезную задачу.
Поэтому использование таких многоуровневых систем приближает на самом деле тот момент, когда квантовому компьютеру будет достаточно шагов для решения практических задач.
Фото: rosbalt.ru
— Мы привыкли к тому, что новый компьютер прежде всего в нашем классическом, обывательском понимании — это тот компьютер, который работает быстрее прежнего компьютера. Квантовый компьютер — это просто следующий этап увеличения скорости или это принципиально новый механизм работы?
— Как я уже и говорил, смысл квантового компьютера не в том, чтобы делать быстро шаги, а в том, чтобы делать меньше шагов.
— А разве это не одно и то же? Чем меньше шагов, тем быстрее.
Конечно, чем меньше шагов, тем меньше времени вы потратите. Но подход современных вычислений, обычных, классических, заключается в том, чтобы как можно быстрее делать шаги или как можно больше за один момент времени.
То есть в классических вычислениях мы или стараемся пробежать быстрее, или делаем параллельно больше шагов, когда используем несколько процессоров. В этом смысле, да, подход квантовых вычислений — это уменьшить число шагов.
— Квантовые компьютеры сейчас — это всё-таки, скажем так, экспериментальная технология или уже реально действующая, которая помогает решать какие-то специально поставленные задачи?
— Сегодня квантовый компьютер не может решить задачу быстрее классического. Никакую. Это связано с ограничениями в области физики. То есть фундаментальных запретов нет. Но на сегодня шумы квантовых компьютеров недостаточно низкие для того, чтобы решать полезные задачи. С другой стороны, уже сейчас начинаются внедрения квантовых компьютеров в различные компании, но на задачах меньшей размерности.
Например, в компании есть задача перемножить два десятизначных числа. Вместо того чтобы перемножать десятизначные числа, перемножаются, например, трёхзначные числа. Для того чтобы адаптировать вообще процесс квантовых вычислений к бизнес-логике. То есть узнать, например, что компании нужно не что-то, а именно перемножение двух чисел, что эта задача хорошо портируется на квантовый компьютер и так далее.
То есть такие внедрения уже есть, но это внедрение пилотное. А с другой стороны, в мире есть три-пять компаний, которые занимаются квантовыми вычислениями и капитализация которых превышает $1 млрд каждая.
Фото: rosbalt.ru
— Вот одна из областей, насколько я знаю, где уже демонстрировались возможности квантовых процессоров, — это химия. Какие задачи квантовый компьютер может решать именно здесь?
— Вообще, да, задачи химии, по-видимому, будут первыми полезными задачами, которые сможет решать квантовый компьютер. Это связано с тем, что химические молекулы состоят из отдельных атомов, которые взаимодействуют друг с другом по законам квантовой механики. Похоже на то, что происходит и в квантовом компьютере: отдельные атомы взаимодействуют друг с другом по законам квантовой механики.
Есть действительно алгоритмы, которые обещают нам, что мы сможем симулировать сложные химические молекулы, относительно сложные, с сотнями, может быть, тысячами атомов в молекуле. Это не самые большие молекулы, то есть бывают молекулы в миллионы и миллионы атомов. Тем не менее даже такие среднемолекулярные соединения востребованы в химии.
Чего мы не знаем на сегодня: не помогут ли с этим нейросети раньше, чем квантовый компьютер? Например, Нобелевская премия прошлого года была дана за программу, которая позволяет рассчитывать взаимодействие белков. И делает это при помощи нейросетей и машинного обучения. И здесь есть некоторая конкуренция.
Фото: rosbalt.ru
— Давайте с вами немного пофантазируем, перенесемся в будущее. Представим, что прошло 10–15–20 лет, и квантовые компьютеры продвинулись, стали мощными и стали решать какие-то задачи. Какие это должны быть задачи? Какие он уже сможет решать задачи?
— Опыт наш жизненный показывает, что эти предсказания обычно плохо работают, потому что еще в семидесятые-восьмидесятые, да и даже в начале девяностых годов, отношение, например, к нейросетям было очень скептическое. То есть люди говорили: «Ну, это фундаментальная наука, пусть занимаются. Никакого практического выхода в этом нет». Спустя 30–40 лет мы увидели выход. С квантовыми компьютерами, я боюсь, будет похожая история в том смысле, что на сегодня квантовые компьютеры маленькие, и программирование ведется как бы на бумажке, на листочке, фактически.
То есть мы не можем поставить эксперимент по решению полезной задачи на квантовом компьютере. Это не значит, что мы не можем ничего посчитать на квантовом компьютере: можем, как я уже говорил, но это будет задача меньшей размерности. Поэтому мне кажется, что мы по-настоящему узнаем это после того, как будет построен достаточно большой квантовый компьютер и люди начнут ставить на нём натурные эксперименты. То есть запускать на нём задачки и смотреть, как это работает.
— А в чём проблема построить большой квантовый компьютер? С чем связаны сложности?
— На сегодня сложности связаны с уровнем шумов. То есть квантовые системы очень хрупкие. Достаточно на них внимательно посмотреть, и они развалятся (смеется).
Ну, на самом деле, они имеют тенденцию взаимодействовать с классическим окружением. И за счёт этого уровень шумов в квантовом компьютере очень высокий. То есть на сегодня лучшие квантовые компьютеры делают одну ошибку на 10 000 операций.
Казалось бы, всего одна ошибка на 10 000 операций — это очень хорошо. Но классический компьютер делает одну ошибку примерно на 10 в 21-й степени операций. То есть это число с 21 нулем. То есть квантовые компьютеры гораздо более шумные, чем классические.
Точка, где, наверное, появятся полезные решения, — это где-то уровень ошибки на уровне 10 в минус 6-й, может быть, 10 в минус 9-й степени.
Сейчас четвертая, нужна шестая или девятая, да? То есть это либо в сто раз, либо в 100 000 раз лучше, чем сейчас.
Но почему есть некоторый оптимизм в этом месте? Потому что, во-первых, возможна квантовая коррекция ошибок. То есть можно, используя несколько кубитов, как один, понизить ошибку каждого входящего. И вот те четыре девятки достоверности, которые есть сегодня, позволяют при использовании разумного числа кубитов — нескольких десятков, может быть, ста — опустить ошибку как раз на тот уровень, десять в минус девятой (степени), может, даже десять в минус двенадцатой.
То есть путь понятен. Физически возможен. Но это очень большая работа. С другой стороны, год назад было три девятки, да? Сейчас уже четыре девятки. Но вот сейчас, я думаю: в ближайшее время мы уже увидим экспериментальную коррекцию ошибок на многокубитных системах во всем мире. И это будет важный шаг.
— Сейчас квантовые технологии конкурируют крупнейшие научные центры всего мира. России есть чем похвастаться и чем удивить другие страны? Или мы находимся примерно на одинаковых уровнях?
— Ну, скажем так, объём вообще российской квантовой программы примерно в 30 раз по деньгам меньше, чем объём квантовой программы Китая, например. С США похожая история. Поэтому результаты, которые мы достигаем, и те подходы, которые мы используем, они должны быть более сфокусированными, более целенаправленными. Но мне кажется, что у нас есть интересные результаты как раз в области кудитных систем, многоуровневых систем. И здесь мы, в общем, одни из лидеров в мире на сегодня.
— Отлично, Илья. Я тогда предлагаю нам с вами встретиться через 10—15 лет, вспомнить, о чём мы с вами говорили 10—15 лет назад, посмеяться над всеми нашими предположениями и восхититься будущим, в котором, я надеюсь, хорошем мы все будем жить. Спасибо большое вам.
Интервью записано на Междунароном фестивале молодёжи в рамках серии научно-популярных лекций — проекта Фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов.
