Квантовые технологии в обозримом будущем кардинально изменят наш мир. На каких принципах они основаны, в чем их преимущество и в каких областях их можно применять? Обо всем этом рассказал руководитель научной группы Российского квантового центра и лаборатории Национального исследовательского технологического университета МИСиС Алексей Федоров.
Алексей, какие современные устройства были бы невозможны без квантовой физики?
Благодаря квантовой физике появились лазеры и транзисторы. Отличительная особенность технологий, лежащих в их основе, — управление коллективными свойствами: условно, большим количеством квантовых объектов одновременно. В случае лазера мы управляем большим количеством квантов света — фотонов, в случае транзисторов — большим количеством носителей заряда — электронов.
Современные квантовые технологии перешли от управления коллективными квантовыми явлениями к управлению отдельными квантовыми системами. Например, можно манипулировать одним квантом света — фотоном, одним электроном, одним атомом, одной молекулой и так далее, а также составлять из индивидуально контролируемых квантовых объектов всё более сложные системы.
Какие необычные свойства квантовых объектов можно отметить?
Квантовые системы могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть как бы одновременно в нескольких состояниях. Самый простой пример — монетка. Если классическая монетка может лежать либо кверху «орлом», либо «решеткой», то «квантовая» может лежать кверху обеими сторонами «одновременно». Понятно, что слово «одновременно» не совсем точное, но представить себе суперпозицию мы в любом случае не можем.
Еще одно интересное явление — квантовая запутанность, очень сильная взаимосвязь квантовых объектов. Если мы приведем две «квантовые монетки» в запутанное состояние, то состояние одной будет связано с состоянием другой. Их нельзя будет рассматривать по отдельности. У подобных взаимосвязей нет прямого аналога, объяснимого с точки зрения классической физики. Существует каламбур, согласно которому обычные носки можно считать квантовым запутанным объектом: пока мы не взяли один из пары носков и не надели, каждый из них одновременно и левый, и правый, и лишь в момент, когда мы наденем один из них, он станет левым, а второй одновременно — правым. Но эта аналогия хромает, ведь решение о том, какой носок из пары станет левым, а какой — правым, принимает наш мозг.
Проводились эксперименты с целью поиска скрытых параметров, предопределяющих квантовые системы, однако безуспешно. За пионерские эксперименты в этой области в 2022 году А. Аспе, А. Цайлинер и Д. Клазуер получили Нобелевскую премию.
Какие возможности дает работа с отдельными квантовыми системами?
Эти возможности называются современными квантовыми технологиями. Они позволяют построить компьютеры, способные решать задачи, слишком сложные для традиционных компьютеров. Квантовые коммуникации исключают неконтролируемый доступ к квантовой информации в процессе ее передачи. Квантовые сенсоры позволяют использовать чувствительность квантовых состояний к внешнему воздействию для сверхточных измерений внешних электромагнитных полей, температуры, времени и многого другого. Эти три большие сферы: вычисления, коммуникации и сенсоры — составляют основу того, что называется квантовой технологией.
Возьмем, к примеру, генератор случайных чисел, работающий на базе современного компьютера. Подобные генераторы имеют много областей применения: в криптографии, при моделировании сложных систем, например материалов (метод Монте-Карло). Они используются также в электронных лотереях и казино. В подавляющем большинстве случаев так называемые генераторы случайных чисел выдают числа псевдослучайные. Иными словами, для того чтобы понять принцип, по которому сгенерирована последовательность чисел, нужно потратить очень много вычислительных ресурсов. Но этот принцип существует, и теоретически его можно вычислить.
Квантовая физика позволяет построить генератор, в котором случайность чисел обусловлена фундаментальными законами природы, то есть он по-настоящему непредсказуем. Действует такой генератор следующим образом. Представим, что у нас есть источник одиночных фотонов: нажали кнопку — вылетает квант света. Есть также полупрозрачное зеркало и два детектора — устройства, способные отреагировать на прилет одиночного фотона. В классическом случае, если направить излучение на полупрозрачное зеркало, то его интенсивность разделится в соотношении ½: половина интенсивности будет зарегистрирована на одном детекторе, половина — на другом. В квантовом случае одиночный испущенный квант, процесс приготовления которого мы контролируем, разделиться не может. Он с вероятностью ½ либо отразится, либо пройдет. Если никто не вмешался в процесс приготовления фотона, невозможно заранее предугадать, как поведет себя фотон, то есть последовательность срабатывания генератора будет абсолютно случайной.
Можно возразить, что это просто физический эксперимент, но в действительности генератор случайных чисел — доступная коммерческая квантовая технология, сегодня она активно применяется. Существуют облачные онлайн-сервисы, на которых можно сгенерировать последовательность случайных чисел квантовым образом. Здесь проявляется фундаментальный аспект: мы используем свойства квантовых систем или квантово-механических объектов, чтобы добиться решения технологических задач.
На каких принципах построена работа квантовых компьютеров?
Основной объект квантового компьютера — кубит. Вспомним одно из свойств квантовых систем — свойство суперпозиции: они могут находиться одновременно в нескольких состояниях. Таким образом, если классический бит находится либо в состоянии 0, либо в состоянии 1, то квантовый бит может одновременно находиться и в состоянии 0, и в состоянии 1, причем доли, в каких он находится в том или ином состоянии, доступны для контроля. У одного кубита — два возможных состояния, у двух — четыре, а у 50 кубитов — 250.
Это колоссальное пространство состояний, и количество параметров, необходимых для их описания, очень велико. Поэтому, когда мы берем большое количество квантовых объектов — кубитов — и связываем их между собой, сложность такой системы начинает расти экспоненциально. А значит, используя такие состояния, мы сможем решать сложнейшие задачи, ведь система из 50 кубитов недоступна для моделирования на классическом компьютере.
С какими препятствиями сталкиваются ученые в процессе создания квантовых компьютеров?
Построить квантовый компьютер чрезвычайно сложно. Для этого нужно найти физическую платформу, сочетающую два трудносочетаемых качества. С одной стороны, это масштабируемость, то есть возможность увеличивать количество кубитов практически бесконечно: до сотен, тысяч, миллионов, миллиардов и т. д. Одновременно необходимо сохранять контроль над каждым из этих объектов и над их парными взаимодействиями.
В природе встречаются системы, либо хорошо масштабируемые, либо хорошо контролируемые, а найти или создать систему, сочетающую эти качества, нам еще предстоит. Такая система будет крайне полезна для того, чтобы построить квантовый компьютер — устройство с очень большим количеством кубитов, позволяющее кодировать большие задачи и с высокой степенью точности операций гарантирующее получение правильного ответа.
Как можно себе представить работу квантового компьютера? Давайте вернемся к аналогии с классическим. Классический компьютер обрабатывает биты информации. Для того чтобы преобразовать их в требуемую форму, он использует логические операции: отрицание, сложение, контролируемое отрицание и многие другие. Фактически алгоритм — это определенная последовательность логических операций над битами, в итоге которой получается требуемый ответ. В квантовом случае всё работает почти так же, только вместо битов — их квантовые аналоги, кубиты, и логические операции заменены квантовыми аналогами. Таким образом, работа квантового компьютера, или квантовый алгоритм — это последовательность логических операций над кубитами, после которых, что важно, производятся измерения. И в итоге мы получаем классический ответ, в котором должно содержаться решение поставленной задачи.
Так работают квантовые алгоритмы. Почти полная аналогия с классическими цифровыми компьютерами, однако есть важная особенность — использование ресурсов суперпозиции и запутанности, гарантирующих возможность решения сложных вычислительных задач, недоступных для классических компьютеров.
На какой стадии сегодня работы по созданию квантового компьютера? Кого можно назвать лидером в этой области?
Идет гонка за приоритет в построении квантового компьютера. Как я уже сказал, один из ключевых вопросов: как и на чем он будет построен, на какой физической платформе, на какой элементной базе?
Современные классические компьютеры построены на кремниевых транзисторах. Этот путь был выбран, так как сочетал качества, необходимые для увеличения мощности компьютера, для ее масштабирования. В квантовом случае мы все еще находимся в поиске таких систем.
Есть несколько кандидатов, демонстрирующих лучшие результаты. Это сверхпроводниковые квантовые компьютеры, построенные на нейтральных атомах, на ионах и на фотонах. Все эти лидирующие платформы для квантовых вычислений можно проиллюстрировать достижениями, полученными в российских лабораториях.
Повторюсь, построением квантовых компьютеров активно занимаются по всему миру, и лидируют крупные IT-компании. Больших результатов добилась компания IBM, построившая несколько прототипов сверхпроводниковых квантовых компьютеров и предоставившая облачный доступ к ним. Также недавно она представила дорожную карту дальнейшего масштабирования квантовых устройств и увеличения количества кубитов в них.
Значительных результатов добилась компания Google. Ее научная команда продемонстрировала так называемое квантовое вычислительное превосходство. Идея состояла в том, чтобы найти и решить некоторую задачу, недоступную для решения на классическом компьютере, — и на построенном ими 53‑кубитном квантовом процессоре такая задача была решена. По оценкам, приведенным в научной статье, для ее решения на квантовом компьютере потребовалось 200 секунд, тогда как решение на самом мощном классическом суперкомпьютере заняло бы 10 тысяч лет.
Практически сразу после публикации этих результатов прозвучал разумный скепсис: нельзя ли значительно сократить время классического решения данной задачи? Оказалось, можно. Поэтому степень квантового превосходства в этом конкретном эксперименте была снижена. Тем не менее была придумана задача, решаемая квантовым компьютером значительно быстрее, чем классическим. Эта задача не так давно была модифицирована и решена на 60‑кубитном и 70‑кубитном квантовых процессорах — здесь степень квантового превосходства уже более значительная.
Конечно, важен дальнейший прогресс квантовых технологий, ведь классические тоже не стоят на месте. Поэтому гонка продолжается.
Мировые игроки на рынке облачных квантовых технологий
В мире насчитывается несколько десятков компаний, занимающихся квантовыми вычислениями. Среди них американские IBM, Google Quantum AI, Microsoft, D-Wave, IonQ, Intel; китайские Baidu и Alibaba; французская Atos Quantum; австралийская Alpine Quantum Technologies (AQT) и другие. Часть из них создали собственные облачные платформы квантовых вычислений, часть используют Amazon Braket.
Технологию развивают не только корпорации, но и стартапы. Крупнейшие из них: британский Cambridge Quantum Computing, американский Zapata Computing, канадский 1QBit.
В России сегодня функционируют две облачные платформы для доступа к квантовым компьютерам. Задачи, которые интересны, в первую очередь, исследователям (студентам и научным сотрудникам университетов), решает платформа, разработанная учеными из МГУ им. М. В. Ломоносова. Более прикладные задачи можно решить на платформе QBoard, разработанной Российским квантовым центром.
Источник: РБК Тренды.
Каковы наиболее перспективные направления развития квантовых компьютеров?
Кроме сверхпроводниковых квантовых компьютеров, есть и полупроводниковые. В их основе та же элементная база, которая используется для построения классических компьютеров. По этому пути, например, пошла Intel.
Есть и другие примеры, например, квантовый компьютер с использованием нейтральных атомов, которые ловятся в специальные оптические потенциалы. Звучит футуристично, однако такие вычислительные машины существуют. В них несколько сотен контролируемых атомов. И внешне они совсем не похожи на компьютеры!
Активно разрабатываются квантовые компьютеры на основе ионов. Это заряженные атомы, имеющие ряд преимуществ, например, высокую точность операций.
Все перечисленные физические платформы активно конкурируют, добиваясь большего количества кубитов и высочайшей точности операций. Я думаю, в ближайшее время мы найдем ту элементную базу, которая позволит увеличивать мощность квантовых компьютеров и значительно наращивать их потенциал решения задач. Однако возможен также сценарий, при котором разные квантовые компьютеры будут специализироваться на разных задачах.
Здесь можно вспомнить классический закон Гордона Мура, одного из основателей Intel: мощность классических компьютеров будет развиваться, в числе прочего, благодаря процессам миниатюризации транзисторов, их основной элементной базы. Количество транзисторов на интегральной схеме будет увеличиваться, и мощность компьютеров будет расти. Часто говорят, что мы близки к окончанию действия закона Мура, так как не можем уменьшать транзисторы до бесконечности — транзистор не может быть меньше атома. Тем не менее закон Мура продолжает работать благодаря тому, что появились новые инструменты масштабирования полупроводниковых интегральных микросхем.
Сейчас обсуждается квантовый закон Мура. Выдвинуто осторожное предположение, что время от времени количество кубитов в квантовом процессоре будет удваиваться.
Для чего может использоваться квантовый компьютер?
Прежде всего, как я уже говорил, для решения задач, которые не по силам обычным компьютерам. Это сложные задачи оптимизации, моделирования, задачи, связанные с теорией чисел (например, разложение чисел на простые множители).
Кстати, именно с абстрактными математическими задачами связан колоссальный интерес к квантовым вычислениям. Ведь сложность разложения чисел на простые множители (помимо того, что это интересная математическая задача) лежит в основе безопасности тех криптографических алгоритмов, которые сейчас активно используются. Каждый раз, когда мы заходим в Интернет, наше соединение защищено. Подавляющее большинство данных защищается при помощи алгоритмов, стойкость которых сводится к задаче разложения чисел на простые множители или задаче, связанной с ней.
Как показал в середине 1990‑х годов Питер Шор, квантовый компьютер с большим количеством кубитов сможет решить задачу разложения чисел на простые множители многократно быстрее, чем классический. Тем самым ставится под сомнение возможность использовать традиционные инструменты криптографической защиты информации.
Для популярного криптографического алгоритма RSA колоссальный выигрыш в плане криптографического анализа демонстрируют именно квантовые компьютеры, что говорит о необходимости перехода в самое ближайшее время к решениям, устойчивым к подобным атакам. И такие решения есть. Одно из них — квантовая коммуникация, технология, построенная на передаче одиночных квантовых объектов. Такая система позволяет генерировать криптографические ключи и использовать их лишь в том случае, если неконтролируемого вмешательства в передачу информации не было. Сегодня квантовые коммуникации, или квантовая криптография, — уже доступные технологии.
Другая возможность — использовать постквантовую криптографию. Если квантовая криптография предполагает необходимость кодировать квантовые состояния и передавать их, то постквантовая криптография — это новое поколение математических алгоритмов. Эта технология также активно пилотируется.
Но прежде всего квантовые компьютеры — это инструменты созидания. Они могут использоваться, например, для моделирования молекул — это поможет создавать новые лекарства и материалы.
Уже сегодня с помощью квантовых технологий моделируют небольшие химические соединения. В будущем получение востребованных химических соединений может дать колоссальный экономический эффект.
Еще одна потенциально возможная область задач — квантовое машинное обучение. Это попытка сочетать квантовые компьютеры и инструменты машинного обучения, ускорять обучение нейронных сетей или строить квантовые компьютеры по совершенно новым принципам.
На каком этапе развития находятся квантовые технологии?
Мы прошли путь демонстрации базовых принципов построения квантовых компьютеров. Увидели большое количество физических систем, в которых можно создавать кубиты, контролировать их и проводить базовые квантовые операции. Получили основные характеристики мелкомасштабных квантовых процессоров и из-за роста мощности перешли на новый этап — создание квантовых компьютеров промежуточного масштаба с несколькими десятками кубитов. Такие машины уже могут соревноваться с классическими компьютерами и суперкомпьютерами, а также, конечно, прототипировать полезные квантовые алгоритмы, помогая нам понять, как двигаться в сторону полезных приложений.
Одним из решающих факторов развития этого направления станет демонстрация так называемой квантовой коррекции ошибок. Я уже упомянул о том, что ограничения сегодняшнего поколения квантовых компьютеров связаны с наличием ошибок. Это общая для компьютеров проблема, просто ошибки классических компьютеров мы уже научились корректировать. Нечто подобное нужно сделать и для квантовых. Это позволит нам перейти в эру масштабирования квантовых компьютеров.
А как квантовое направление развивается в России?
В 2019 году была разработана Дорожная карта развития квантовых технологий, а в 2020 году началась реализация Дорожных карт развития квантовых вычислений и квантовых коммуникаций, которые координируются Росатомом и РЖД, соответственно. Ведется работа над Дорожной картой по квантовым сенсорам.
Дорожная карта развития квантовых вычислений, которую координирует Росатом, предполагает создание в России прототипов квантовых процессоров, а также реализацию необходимых квантовых алгоритмов и программного обеспечения. Активная работа ведется над всеми основными физическими платформами, демонстрирующими значительный потенциал масштабирования в ближайшем будущем. Это сверхпроводниковые, атомные, ионные и фотонные компьютеры. Наибольший масштаб достигнут с нейтральными атомами и ионами — разработаны прототипы 16‑кубитных квантовых компьютеров. Создается программное обеспечение, которое позволит управлять квантовыми компьютерами, кодировать задачи с помощью языков программирования, алгоритмов.
В рамках проекта Лидирующего исследовательского центра по квантовым вычислениям и при поддержке Дорожной карты мы работаем над ионным квантовым компьютером на основе кудитов. Вышеупомянутый 16‑кубитный ионный квантовый процессор работает несколько иначе — для обработки информации он использует кудиты с четырьмя уровнями. Это оригинальная технология.
Когда мы говорим о том, что физическая система может использоваться в качестве кубита, то есть двухуровневого носителя информации, это некоторая идеализация. На самом деле подобная система гораздо богаче с точки зрения наличия доступных уровней для кодирования информации, что делает ее многоуровневой системой — кудитом. Это дает значительные преимущества при реализации квантовых алгоритмов, потому что в один физический носитель, например, один ион, можно закодировать больше информации, чем в один кубит. Можно также использовать промежуточные уровни этой системы для того, чтобы хранить информацию в процессе вычислений. Мы демонстрируем первые квантовые алгоритмы и движемся к тому, чтобы сервис по возможности квантовых вычислений стал открытым для исследований, для решения научных и образовательных задач.
Работа над квантовыми компьютерами — это не просто создание очередной технологии. Это решение фундаментальной задачи понимания тех ограничений, которые налагает природа на мощность компьютеров. Мы пытаемся понять, насколько мощными могут быть компьютеры, и уже сейчас очевидно, что без использования квантовой физики при построении мощнейших компьютеров и решении сложнейших задач не обойтись.
Беседовал Александр ЮЖАНИН / Фото: Scitechdaily.com, Geekwire.com
