Квантовые покемоны: физик Александр Загоскин о квантовых компьютерах

Известный советско-канадский физик Александр Загоскин рассказал, зачем нужна квантовая физика, что такое квантовая "логарифмическая линейка" и почему она пока лучше универсальных квантовых компьютеров, а также о том, когда появятся "квантовые покемоны".


Александр Загоскин из университета Лафборо (Великобритания) – один из самых известных русскоговорящих физиков, работающих над созданием квантовых вычислительных приборов. В 1999 году Загоскин и три сотрудника Университета Британской Колумбии, Хэйг Фаррис, Джорди Роуз и Боб Уинс, основали компанию D-Wave, ставшую всемирно известной в 2013 году, когда ее инженеры представили миру первый коммерческий квантовый вычислитель из 128 кубитов.

На этой неделе Загоскин и целый ряд других всемирно известных физиков прочитали серию лекций в рамках летней школы, организованной Российским квантовым центром и НИТУ МИСиС для привлечения внимания студентов и молодых ученых к квантовой физике и технологиям. В своей лекции Загоскин рассказал о двух квантовых революциях, которые мы пережили за последний век, и объяснил, чем занимается компания D-Wave и чем отличается их квантовый компьютер от других устройств такого рода.

"Пентиум на паровой тяге"

"Сегодня современные обыватели понимают то, как развиваются наука и техника, в том числе и квантовая физика, ненамного лучше, чем крестьяне времен короля Артура знали, что и зачем делает волшебник Мерлин. Правда, есть два отличия – Мерлин не был нужен крестьянам, чтобы пахать, боронить и заниматься промыслами, а Мерлину не нужно было узнавать их мнение насчет того, на что он тратит свой исследовательский бюджет. Сейчас все иначе, людей спрашивают, и поэтому им лучше знать, что и как мы изучаем", — объясняет физик.

В современную эпоху, по словам Загоскина, крайне важно донести до публики то, что представляет собой квантовая физика и, как он выражается, "вторая квантовая революция" – бурное развитие вычислительных устройств и прочих приборов, работающих на базе принципов квантовой механики.

"Создание универсального квантового компьютера сейчас, особенно с технологиями 17-летней давности, крайне сложная задача. Представьте, что вы живете в XIX веке и вам дали чертежи "пентиума", и вы пытаетесь его собрать на паровой тяге или же на конной. Вы годами его собираете на своей конюшне, а в свободное время – сочиняете программы для него. Занятие, безусловно, интересное, но бесперспективное", — говорит ученый.

Алексей Устинов

Сегодняшнее состояние этого раздела физики, как считает Загоскин, можно сравнить с тем, что происходило в авиастроительной отрасли в период сразу после Первой мировой войны. Авиаконструкторы и инженеры знали все законы и формулы, по которым сегодня строятся самолеты, но не могли их применить, несмотря на гигантскую скорость прогресса, из-за несовершенства технологий, отсутствия опыта и вычислительных мощностей.

"Если в 1999 году первый реальный кубит сохранял свою когерентность на протяжении десятка наносекунд, то сегодня лучшие образцы кубитов остаются стабильными в течение нескольких сотен микросекунд. Это миллионы операций. Подобную скорость прогресса можно сравнить с переходом от первого самолета братьев Райт к германским истребителям Первой мировой", — рассказывает Загоскин.

Квантовая логарифмическая линейка

Несмотря на то что ученые смогли изготовлять кубиты, собрать из них универсальный квантовый компьютер – устройство, которое бы работало по тем же правилам, что и обычные вычислительные приборы, пока нельзя. Как отмечает Загоскин, пока еще не удалось научиться чисто соединять кубиты и подавлять шумы, расстраивающие связи между ними.

"Возникает вопрос, нельзя ли сделать что-то попроще – я не хочу ждать 80 лет, которые потребовались для превращения бипланов Первой мировой в сверхзвуковые самолеты пятого поколения. Можно поступить так же, как сделало человечество в XIX веке. Даже если бы у них были чертежи "пентиума", они отложили бы их в сторону, взяли бы логарифмические линейки и посчитали бы все что надо", — продолжает ученый.

Как объясняет Загоскин, квантовым аналогом логарифмической линейки являются так называемые адиабатические квантовые компьютеры, над созданием которых работает D-Wave с момента основания компании.

В них используется не цифровой, а аналоговый подход к управлению поведением кубитов. По сути, в таком устройстве взаимодействием ячеек памяти "дирижируют" не ученые или приборы, а силы природы. При программировании адиабатического компьютера ученые лишь задают начальные свойства кубитов и их значения, а затем их взаимодействие друг с другом приводит в конечном итоге к вычислению ответа на интересующую задачу.

Александр Ульянов и Александр Львовский проводят эксперимент в РКЦ


Подобные вычислительные системы гораздо проще создавать, однако они работают довольно медленно, их крайне сложно приспособить к решению нетипичных задач и увеличить их размеры и мощность. Учитывая существование уже двух моделей вычислителей D-Wave, объединяющих в себе сотни и даже тысячи кубитов, такой подход, по мнению физика, полностью себя оправдал.

Все сомнения, которые часто возникают у ученых при оценке работы компьютеров D-Wave, связаны, по словам Загоскина, с тем, что пока нет достоверных методов оценки квантовости их работы из-за огромного числа кубитов в них. Тем не менее в последние годы сомнения в работоспособности вычислителей D-Wave начинают уменьшаться, о чем свидетельствует покупка таких компьютеров Google, NASA и фирмой "Локхид-Мартин".

Еще более дешевой "квантовой логарифмической линейкой", как отмечает ученый, могут стать так называемые квантовые метаматериалы на основе простых кубитов, над созданием которых работает его научная группа. Эти материалы, как надеется Загоскин, позволят просчитывать работу более сложных и дорогих квантовых компьютеров, что ускорит их разработку, а также станут основой для сверхчувствительных детекторов света, способных улавливать даже одиночные фотоны в самых зашумленных средах.

"Мы пока находимся на втором уровне разработки квантовых компьютеров – мы справились с отдельными элементами, но пока еще только осваиваем то, как их можно связать и как по их свойствам можно предсказать работу всей квантовой системы в целом. Если мы решим эту проблему, то тогда мы сможем отказаться от логарифмических линеек и перейти к приятному – заниматься эргономикой, выбирать цвет корпуса компьютера и придумывать, как положить его в карман, как переселить в него покемонов и другие необязательные вещи. Пока наша задача – как-то заставить его работать", — заключает ученый.

— Александр, как вы считаете, когда будет разработан универсальный квантовый компьютер и насколько он вообще необходим для нас? Мне лично универсальный квантовый компьютер, как можно догадаться, не нужен. Я коды взламывать не собираюсь. По поводу сроков разработки: я всегда с осторожностью отношусь к подобным предсказаниям – нам уже почти 20 лет говорят, что они будут созданы через 20 лет, поэтому я не берусь предсказывать это. Все, что я пока знаю – квантовые оптимизаторы сейчас находятся почти в рабочем состоянии, и это самый реалистичный вариант создания квантового компьютера.

— Понимаете, универсальные компьютеры имеют и плюсы, и недостатки – обычный IBM PC может решить любое число задач, но при этом он жрет огромное количество ресурсов по сравнению с аналоговыми системами, настроенными на решение таких проблем. Иными словами, если мы говорим о простых расчетах, то логарифмическая линейка сделает все то же самое гораздо быстрее и дешевле, хотя и не так точно. Да и к тому же у нас пока нет такой роскоши, и в квантовых технологиях мы пока даже не достигли уровня программирования на машинных кодах 1970 годов.

Чип процессора 128-кубитного квантового компьютера, произведенный компанией D-Wave Systems Inc.

С точки зрения бизнеса взлом систем шифрации – то, для чего сегодня создают универсальные квантовые компьютеры, – никогда не входил в бизнес-планы D-Wave. Почему? Рынок подобных "услуг" крайне мал, и за вами всегда, что называется, могут прийти неприятные люди. Есть масса других, более интересных примеров приложения квантовых вычислителей, к примеру – оптимизация экономики в планетарных масштабах. Правда, в таком случае вашей разработкой, вероятно, всерьез обеспокоятся финансисты.

— Одни из главных конкурентов D-Wave, группа профессора Мартиниса, недавно провели опыты, в рамках которых они попытались объединить плюсы и минусы адиабатических систем и классических квантовых компьютеров, оцифровав первую. Как вы относитесь к подобным идеям?

— На самом деле, соперничества между командой Мартиниса и D-Wave нет – и те и другие в равной степени поддерживаются компанией Google в своих разработках. Это принципиально иной подход, мне лично он не нравится, и я не вижу в нем особого смысла, но это вопрос вкуса. Поскольку я не работаю в D-Wave напрямую, а являюсь акционером и основателем компании, я с интересом слежу и за тем, и за другим.

— С каждым годом число кубитов и размеры квантовых систем все больше растут, в связи с чем у теоретиков и экспериментаторов часто возникает вопрос: существуют ли какие-либо принципиальные ограничения на число кубитов и других элементов, налагаемые, к примеру, гравитационным замедлением времени и другими феноменами?

— Это хороший вопрос, на который пока нет ответа. Мне хотелось бы, чтобы такой предел существовал, но по всем ощущениям его нет. С точки зрения физики квантовый компьютер – это по сути живая кошка Шредингера.

Век назад, когда все квантовые объекты были исключительно маленькими, Нильс Бор предложил следующую трактовку – то, что маленькое, ведет себя квантовым образом, то, что большое, – классическим образом, а что посередине – неважно. И все это прекрасно работало и позволило нам провести первую квантовую революцию, которая началась с создания атомной бомбы.

Когда мы начали создавать квантовые компьютеры, мы стали замечать, что какой-то жесткой границы между квантовым и классическим миром нет. Если мы можем поддерживать квантовую когерентность в нашей системе, в принципе нет пределов того, какой большой мы можем ее сделать. Если мы сможем достаточно осторожно обращаться со шредингеровской кошкой, то она сможет бегать по улицам в полумертвом состоянии.

На платформі Blogger.