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

МОСКВА, 9 янв — Новости Дня. Михаил Лукин, сооснователь Российского квантового центра и профессор Гарварда, рассказал, как его команде удалось создать самый большой и точный на сегодняшний день квантовый компьютер, кто победит в "квантовой гонке", а также поделился прогнозами о том, как подобные машины могут преобразить мир.

Большая игра: как выходцы из России могут стать лидерами "квантовой гонки" - «Наука»

Физик из Google: мы близки к созданию "рабочего" квантового компьютераКвантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря применению законов квантовой механики. Такие машины состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить спектр значений между нулем и единицей.

На сегодняшний день есть два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, чьи кубиты подчинялись бы тем же правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Его эксплуатация в идеале будет не сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами.

Адиабатический компьютер создать проще, но по принципам работы он ближе к арифмометрам, логарифмическим линейкам и аналоговым вычислительным машинам начала прошлого века.

В минувшем году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и некоторых европейских стран заявляли, что близки к созданию квантового компьютера. Лидером в этой неформальной гонке считалась группа Джона Мартиниса, разрабатывающая "гибридный" вариант универсального вычислителя, сочетающего элементы аналогового и цифрового подхода.

Большая квантовая игра

Михаил Лукин неожиданно для всех опередил Мартиниса: 14 июля 2017 года он заявил, что его команде удалось создать 51-кубитную машину. О принципах ее работы и устройства он рассказал в одном из ведущих научных журналов 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 оказалась 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.

Физик рассказал, как ученые превращают алмазы в квантовые компьютеры

Как отметил Лукин, его команда параллельно рассматривала и другие варианты 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 реализовать эту идею удалось только сейчас 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 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 из сотен, а не десятков кубитов.

Физики из Канады и России создают многомерный квантовый компьютер

Атомные кубиты, по мнению основателя РКЦ, смогут достичь этой отметки быстрее, так как их гораздо проще контролировать, чем ионные, которым они пока уступают 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 непонятно. 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 само создание компьютера, а необычный квантовый феномен, который удалось открыть его команде, наблюдая за поведением атомов и электронов.

"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.

Австралийские физики создали первые "дальнобойные" кубиты

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.

Лаборатория квантовой оптики в Российском Квантовом Центре

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 эти 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, как будет выглядеть подобный универсальный и расширяемый компьютер будущего", — заявил Лукин.

Ученые из "Сколтеха" предлагают создать квантовый искусственный интеллект

По его словам, архитектура первых крупных квантовых компьютеров, вероятно, будут не монолитной, а состоящей из модулей — наборов из нескольких десятков кубитов. Эти блоки свяжут между собой при помощи специальной сети, так называемого квантового интернета, что позволит им проводить довольно сложные и объемные вычисления, недоступные на обычных суперкомпьютерах.

Практическое "квантовое превосходство"

Другой большой проблемой станет, как бы это парадоксально ни звучало для обывателя, проверка корректности результатов, выдаваемых такими машинами. 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 проверки не обязательно создавать сложные алгоритмы и хитрые математические подходы, которые сейчас разрабатывает команда ученых под руководством Мартиниса. Для этого, по мнению физика, достаточно попытаться решить при их помощи известные оптимизационные задачи, например распределить потоки машин по городу или спрогнозировать поведение экономики.

Физики создали первый программируемый квантовый компьютер

"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", способные 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 множество 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.

Физики из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер

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 не очень эффективными. Но оказалось, что многие из них работают очень хорошо на практике. И только недавно математики выяснили, почему они работают. То же самое, как мне кажется, произойдет с квантовыми компьютерами — жизнь полна сюрпризов", — заключает Лукин.