Большая игра: как выходцы из России могут стать лидерами "квантовой гонки"

МОСКВА, 9 янв — РИА Новости. Михаил Лукин, сооснователь Российского квантового центра и профессор Гарварда, рассказал, как его команде удалось создать пока самый большой и "точный" на сегодняшний день квантовый компьютер в мире, кто победит в "квантовой гонке", а также поделился прогнозами о том, как подобные машины могут радикально преобразить мир. Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей. Сегодня есть два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, чьи кубиты подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Эксплуатация подобного вычислительного устройства в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к арифмометрам, логарифмическим линейкам и аналоговым вычислительным машинам начала прошлого века, а не к цифровым устройствам современности. В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась группа Джона Мартиниса, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам. Большая квантовая игра Михаил Лукин неожиданно для всех опередил Мартиниса, заявив 14 июля 2017 года о том, что его команде удалось создать 51-кубитную машину, и пообещав рассказать о принципах ее работы и устройства в одном из ведущих научных журналов, что произошло уже в конце ноября. Неожиданность заявления Лукина во многом была связана не только с самим фактом создания столь сложной машины, но и с тем, что она была основана не на тех квантовых технологиях, "алмазных" кубитах, которые его команда разрабатывала на протяжении последнего десятилетия. "Мы не отказывались от них и продолжаем работу и с алмазами, и с другими аналогами твердотельных систем. Многие из наших разработок сегодня используются не только в рамках наших собственных экспериментов по созданию квантовых компьютеров и сетей, но и на практике, в качестве различных сенсоров", — заявил ученый. Как отметил Лукин, его команда параллельно думала о применении других вариантов создания квантовых компьютеров. По его словам, эксперимент с нейтральными атомами возник не на пустом месте — Лукин и его коллега Игнацио Ширак (Ignatio Cirac) впервые задумались об этом еще в 2001 году, но только сейчас им удалось реализовать эту идею благодаря развитию лазерных и квантовых технологий. "В принципе, как мне кажется, еще очень рано объявлять победителя в "квантовой гонке" — разные квантовые платформы имеют свои плюсы и минусы. Поэтому нам крайне важно не фокусироваться на одной из версий, а исследовать все возможные варианты", — продолжает Лукин. Так художник представил себе то, как работает квантовый компьютер Михаила Лукина и его коллег К примеру, атомные и ионные кубиты, на базе которых Лукин и его "конкуренты" из университета Мэриленда под руководством Кристофера Монро (Christopher Monroe) создали свои квантовые вычислители, отличают высокая гибкость и удобство в работе. "Кубиты на базе холодных атомов и ионов невероятно гибки в работе — фактически ими можно двигать, перепрограммировать и менять их конфигурацию прямо во время проведения вычислений. В этом плане твердотельные платформы, которые создают наши австралийские коллеги на базе кремния и фосфора, им сильно уступают, так как их почти нельзя поменять после того, как был создан чип", — отмечает физик. Этот плюс атомных и ионных систем, как считает Лукин, позволит в ближайшее время занять лидирующие позиции в "квантовой гонке", так как ничто, в принципе, не мешает ни его команде, ни группе Монро создать более сложные вычислительные системы, которые будут включать в себя не десятки, а сотни кубитов. Атомные кубиты, по мнению основателя РКЦ, смогут достичь этой отметки быстрее, чем их ионные аналоги, так как их гораздо проще контролировать, чем большое число ионов, несмотря на то, что пока первые уступают вторым в качестве работы. "Дело в том, что при повышении числа ионов они начнут все сильнее отталкивать друг друга, в результате чего система станет неустойчивой. Крис и его коллеги смогли решить эту проблему для 53 ионов, однако что произойдет дальше, пока не понятно. Будет очень интересно взглянуть на то, как станет развиваться ситуация, когда мы выйдем на уровень в несколько сот кубитов", — поясняет исследователь. Квантовые шрамы Главным своим достижением профессор Лукин считает не сам факт создания компьютера, а необычный квантовый феномен, который удалось открыть его команде, наблюдая за поведением атомов и электронов во время работы этого вычислительного устройства. "Мы перешли порог, когда можем совершать открытия, используя подобные машины. Сейчас теоретики думают о том, как можно объяснить то устойчивое состояние, которое возникает в нашей системе, если привести ее в неравновесие. Сейчас они пытаются объяснить это, используя некий аналог математической теории хаоса, называя этот феномен "квантовыми ранами" или "квантовыми шрамами". Как мне кажется, все самое интересное в ближайшие годы будет открыто именно здесь", — заявил физик. Несмотря на то что квантовая машина, созданная Лукиным и его коллегами, представляет собой адиабатический компьютер, те же самые кубиты, как отметил ученый, можно использовать и для создания универсальных квантовых вычислителей. "Безусловно, мы могли бы проводить такие эксперименты прямо сейчас, но нужно понимать, что сегодня в нашей области науки нет четкой границы между адиабатическим подходом и принципами, которые используются при реализации отдельных логических операций. Высокая гибкость и настраиваемость нашей системы еще больше размывает эту границу. Скорее всего, гибридный подход к вычислениям, сочетающий плюсы того и другого, будет самым интересным для нас", — пояснил ученый. 51-кубитный квантовый компьютер М.Д. Лукина Как отметил Лукин, его команда уже работает над созданием алгоритмов коррекции ошибок и соответствующей архитектуры, которая позволяла бы их воплощать на базе атомных кубитов, однако подобные опыты имеет смысл проводить только после того, когда вычислительных модулей станет значительно больше. "Пока мы не знаем, как создать компьютер, состоящий из нескольких тысяч или даже сотен кубитов. Добавление алгоритмов корректировки ошибок повысит сложность такой системы еще на порядок, и мы просто не понимаем, как такую систему можно масштабировать. Скорее всего, мы сейчас даже отдаленно не можем представить себе то, как будет выглядеть подобный универсальный и расширяемый компьютер будущего", — заявил Лукин. По его словам, первые крупные квантовые компьютеры, вероятно, будут иметь не монолитную архитектуру, а состоять из "модулей" — наборов из нескольких десятков кубитов. Эти блоки свяжут между собой при помощи специальной сети, так называемого квантового интернета, что позволит им проводить достаточно сложные и объемные вычисления, недоступные для реализации на обычных суперкомпьютерах. Практическое "квантовое превосходство" Другой большой проблемой станет, как бы это парадоксально ни звучало для обывателя, проверка того, выдают ли подобные машины корректные результаты. Сложность заключается в том, что обычные суперкомпьютеры в принципе не могут проверить результаты квантовых вычислений, если число кубитов достигнет той отметки, когда машины на их базе станут полезными на практике. Как считает Лукин, для их проверки не обязательно создавать сложные алгоритмы и хитрые математические подходы, которые сейчас разрабатывает команда ученых под руководством Джона Мартиниса (John Martinis). Для этого, по мнению физика, достаточно попытаться решить при их помощи известные оптимизационные задачи, например распределить потоки машин по городу или спрогнозировать поведение экономики страны. "Что точно можно сделать — попробовать решить оптимизационную задачу. Прелесть таких задач заключается в том, что решать их сложно, а проверить — очень просто. Есть множество алгоритмов, которые могут эффективно справляться с ними, используя относительно немного — около 100 или 200 — кубитов. И если они покажут себя с хорошей стороны, то тогда мы решим сразу две актуальные проблемы — покажем, что такие компьютеры полезны и что они работают корректно", — отмечает Лукин. Есть и другие квантовые "программы", позволяющие решить схожие задачи, такие, например, как знаменитый алгоритм Шора, позволяющий взломать систему шифрования RSA, но они имеют более узкий спектр применения и экономическую нишу. Оптимизационные задачи, в свою очередь, затрагивают огромное число областей науки и жизни, в том числе искусственный интеллект и машинное обучение, и их эффективная реализация резко расширит поле, где квантовые компьютеры могут применяться. Подобная демонстрация практического "квантового превосходства", как считает Лукин, привлечет внимание и деньги инвесторов. Этот успех станет большим плюсом и для науки — только реальная квантовая машина, по мнению гарвардского физика, позволит ученым, занимающимся разработкой программ для будущих квантовых компьютеров, проверить множество алгоритмов и теорий. "Если посмотреть на то, как развивались классические компьютеры (об этом, кстати, писал сам Питер Шор), можно увидеть, что на заре их развития существовало много алгоритмов, которые считались тогда очень эффективными. Но оказалось, что многие из них бесполезны на практике. И только недавно математики выяснили, почему они не работают. То же самое, как мне кажется, произойдет с квантовыми компьютерами — жизнь полна сюрпризов", — заключает Лукин.