Как применять квантовый компьютер на практике
Квантовые компьютеры пока находятся в странном, полутеоретическом-полуэкспериментальном состоянии. Но квантовое превосходство уже достигнуто, и, возможно, не за горами будущее, в котором мы сможем применять квантовые вычислители для вполне конкретных практических целей.
Рассказывает гость программы «Вопрос науки» — доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ и руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор РАН Алексей Николаевич Рубцов.
Мы пока сами не знаем, зачем нам квантовый компьютер
Обычные компьютеры, начиная от древних времен — от абака (античной счетной доски. — Прим. ред.) и счетов, — на всех своих этапах были нужными вещами. Арифмометр — вычислительная машина, схему которой нарисовал еще гениальный Леонардо да Винчи, — был сделан не как диковинка, а именно чтобы считать. С квантовым компьютером ситуация другая, но это, видимо, просто другой исторический этап, другой этап развития человеческой мысли. Их придумали, когда даже на горизонте практической реализации не было видно. Мы находимся в позиции, когда видно лишь дымок от парохода, идущего за горизонтом, а сам пароход еще не показался.
В чем отличие? Код, который исполняется в устройстве, основанном на квантовых технологиях, сможет находиться одновременно не в двух, а даже во многих состояниях. И это краеугольный камень понимания, почему квантовые вычисления могут оказаться лучше классических.
Есть два принципа, которые я с технологической точки зрения считаю важнейшими отличиями квантового мира от мира классического. Первый принцип — это суперпозиция. Когда у нас есть какая-то квантовая система, она начинает свою эволюцию из предопределенного начального состояния. И эта эволюция может привести, допустим, к одному из двух конечных состояний, а, в принципе, состояний у системы много. Если классическая система всегда выбирает себе какую-то одну дорожку, как прийти от начала к концу, то квантовая движется одновременно по всем возможным траекториям, по всем возможным путям эволюции, а потом результаты таких разных каналов эволюции складываются с некоторыми весами, или, как говорят, интерферируются. Таким образом, то, что мы на выходе получаем, оказывается чувствительно ко всему, что могло бы произойти с системой в течение ее эволюции, в течение ее жизни.
Для квантовых технологий это дает огромную возможность «пощупать» сразу много сценариев вместо одного. Кстати, в эту же сторону сейчас двинулась и классическая вычислительная техника. Гонка за мегагерцами остановилась лет десять назад, кремниевые платы не могут считать биты быстрее [тех скоростей, которые были достигнуты]. Но люди научились одновременно запускать в работу очень большое количество вычислительных блоков — сотни и тысячи, которые одновременно просчитывают разные сценарии похожих вычислительных историй.
Второй принцип — это запутывание, он еще более важен. Если у нас какое-то разумное количество промежуточных состояний, то классическая вычислительная техника отлично справляется с анализом таких историй, просто запустив много вычислительных нитей одновременно. Но из-за эффекта запутывания все усложняется, когда мы говорим о квантовых системах с большим количеством степеней свободы, а количество этих промежуточных состояний нарастает геометрически очень быстро. Например, система, состоящая из трех кубитов, при наличии у каждого двух возможных состояний приводит к восьми возможным состояниям. И если мы будем исследовать эволюцию этой системы, то мы должны принять во внимание все восемь возможных состояний, а выходное состояние системы будет суперпозицией, смесью всех этих восьми вариантов. Если я возьму, например, четыре кубита — на выходе будет уже 16 состояний, если я возьму десять — будет 1024, если возьму 50 — я собьюсь со счета.
Наверняка многие из интересующихся наукой знают понятие запутанности применительно к двум частицам, это так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Но если в запутанном состоянии находится действительно много квантовых систем, то количество возможных комбинаций геометрически экспоненциально нарастает.
Квантовое превосходство достигнуто — что это значит?
Есть две установки, для которых создатели декларировали так называемое квантовое превосходство. То есть эти установки делают то, что не может сделать никакой из обычных компьютеров. Сразу оговорюсь: пока не ставится вопрос, зачем это может пригодиться.
Первая установка — это установка Google, появившаяся на свет чуть больше года назад. Это устройство состоит из 53 двухуровневых систем. Работает при очень низких температурах, чтобы подавить шумы. Вообще, идеальным было бы отсутствие шумов. Универсальный квантовый вычислитель в теории — тот, который заданным набором операций можно перевести в любое требуемое состояние. А на практике это жуткие деньги и жуткий труд, это комната, обвешанная датчиками, генераторами и прочим, это много кандидатских диссертаций, защищенных на одной этой установке. Это колоссальная работа! Тем не менее они делали примерно 20 таких элементарных циклов операций, всего порядка 400 межкубитных операций между двумя кубитами. Но пока шумы на несколько порядков — в 103 или даже 104 — превышают полезный сигнал. То есть эта установка настолько шумная, что какую-то коррекцию ошибок даже и думать нечего там вводить. Для того чтобы можно было говорить о коррекции ошибок, нужны установки на несколько порядков лучше: с большим количеством кубитов.
Создатели гугловской машины увидели, что хотя полезный сигнал и крошечный, но он различим на уровне тех гигантских шумов, которые в установке есть.
Это такой демонстратор, он сделан на грани возможностей машины, в которой хоть что-то непосильно для классического расчета. Повторюсь: больше, чем 50 кубитов, классическому компьютеру не подвластно.
Вторая подобная машина — это установка, которую создала большая китайская группа: бозонные семплеры. Сразу оговорюсь, что это демонстратор, это не установка, призванная что-либо конкретное посчитать. Это не универсальный квантовый компьютер, а некое квантовое устройство, характеристики которого точно при помощи классической вычислительной техники не рассчитываются. Внешне это огромный интерферометр, то есть устройство, состоящее из большого количества полупрозрачных зеркал, смешивающих большое количество входящих световых пучков. Представьте шесть лучей на входе и шесть на выходе, все перепутаны каким-то образом друг с другом. В реальной установке их условно 100 и 100.
Важная ремарка. Если пустить на вход 100 пучков обычного лазерного света, то ничего интересного не будет, а будет на выходе тоже обычный лазерный свет: в каких-то каналах больше, в каких-то меньше. Это будет полностью просчитываемая, тривиальная в некотором смысле установка. А вот если на вход пустить не обычный свет, а тот свет, который подвергнут процедуре квантового сжатия (не буду сейчас заострять внимание на том, что это такое), то посчитать статистику фотонов на выходе классическими средствами становится невозможно.
И дальше надо звать математиков. На них большая надежда. Китайская установка хороша тем, что там нет никаких шумов в тысячу раз больше, чем полезный сигнал. И если действительно тут все честно и свойства этой установки существенным образом неклассические — а на это похоже, — то надо ждать, когда придут математики, которые скажут, что с помощью таких установок, хотя это и не универсальные квантовые компьютеры, можно рассчитывать то, что мы еще не умеем делать.
Практическое применение подскажет будущее
Можно дать лишь осторожный прогноз о том, что в скором будущем может случиться так, что люди скажут: это посчитано на квантовом компьютере, и без квантового компьютера мы бы не смогли это сделать. Кое-что делается уже сегодня. Есть существующие живые устройства. Для некоторых есть даже доступ по Сети, можно записаться и какие-то тестовые вычисления на них гонять. Компания D-Wave, про которую мы еще не говорили, уже лет пять продает специфические, но все-таки квантовые вычислительные устройства. Это установки, работающие на основе квантового отжига, это совсем не то, о чем шла речь, но тем не менее. Возможно, лет через пять-десять такого плана устройства будут полезны для решения практических задач. Сейчас настолько мощные усилия прикладываются в этом направлении, что это может стать реальностью.
Для чего, в принципе, подобные установки годятся практически — это предмет для обсуждения. Процитирую умного человека Алена Аспе, который в 1980-х годах был первым, кто экспериментально установил, что в нашем мире нарушается неравенство Белла, то есть что наш мир квантовый, а не классический. Это человек, которого стоит послушать. Он приезжал в Москву, и, когда его спросили про квантовые компьютеры, он сказал: «Когда я был молодым, я слышал про возможность наблюдения гравитационных волн, и было ясно, что это, в принципе, возможное дело, но необозримо далекое с технологической точки зрения. И вот смотрите, я дожил, прошло 40 лет».
«Мне кажется, что сейчас квантовый компьютер находится на том же уровне, что и наблюдение гравитационных волн во времена моей юности. Подождите 30–40 лет, и, может быть, все будет».
В первую голову стоит задача оптимизации и, возможно, задачи предсказательной и вычислительной химии. Задач оптимизации очень много. Буквально из новостей последних дней: ввели какую-то новую схему полетов над европейской частью России, и оказалось, что эта схема в первом варианте не очень хороша — возросла нагрузка, возрос расход топлива самолетами и т. д. Теперь это надо все оптимизировать и приводить в порядок. Но совершенно ясно, что ресурсов оптимизации на самом деле очень много. Это любой транспорт, любая логистика — и трубопроводная, и железнодорожная, и что хотите. Почему тут квантовые компьютеры естественно использовать? Потому что они умеют анализировать сразу очень много вариантов. В идеале они смогут пройти сразу по всем схемам организации, которые есть, и выдать ту из них, которая лучше.
Физик-теоретик Дэвид Дойч утверждает, что квантовый компьютер потому такой умный, что он ведет вычисления в параллельных вселенных. Это утверждение уводит нас в философию квантовой механики. По-видимому, речь идет о многомировой интерпретации, которая мне по-человечески всегда была очень близка. Потому что это же замечательно: она говорит, что каждый раз, как происходит выбор, рождается новая вселенная. И если девушка не пошла со мной в кино в этой вселенной, то, наверное, в параллельной все по-другому. Но с точки зрения, скажем так, здравого смысла научного работника, конечно, мне эта интерпретация кажется чрезмерной: тут сущности непрерывно умножаются без необходимости. Мне больше нравится копенгагенская интерпретация с проектированием, но по сути сказано то же самое: не параллельные Вселенные, зато параллельно существующие вероятности разных конфигураций квантовой системы.
