У кого кубитов больше

23 октября сотрудники Google опубликовали в Nature статью, в которой заявили о достигнутом ими квантовом превосходстве. Незадолго до этого препринт статьи утек в сеть, поэтому еще до выхода журнала возражения к сути публикации появились у другого участника условной квантовой гонки — компании IBM. Мы уже подробно писали о том, как и какую задачу решили в Google, а теперь решили подробнее рассказать о так называемом квантовом противостоянии — гонке за создание первого полезного квантового компьютера. Кто в ней участвует? Каковы условия победы? Какие задачи будет решать квантовый компьютер в итоге? (Спойлер: совсем не те, про которые мы думали 10 лет назад.) На эти и другие вопросы отвечает Руслан Юнусов — физик и генеральный директор Российского квантового центра.

N + 1: Расскажите, что такое квантовое превосходство?

Руслан Юнусов: Речь идет о понятии, возникшем всего несколько лет назад. Оно связано с попытками построить квантовые компьютеры, кардинально отличающиеся от классических. Предполагается, что какие-то типы задач квантовые компьютеры будут решать намного эффективнее классических, возможно даже, что они будут решать задачи, которые вообще не по силам классическим.

Достичь квантового превосходства — значит показать, что квантовые компьютеры работают лучше классических. Что они решают за обозримое количество времени некие задачи, на решение которых у классических компьютеров уйдет время жизни целой Вселенной. Ну или 10 тысяч лет, что примерно одно и то же.

Понятно, что первые такие задачи будут бессмысленными с прикладной точки зрения. Но главное — они должны показать, что квантовый компьютер может «победить» классический. Факт этой победы и называют квантовым превосходством — Quantum Supremacy, или Quantum Advantage.

Но ведь, чтобы установить факт превосходства, необходимо сперва придумать подходящий критерий для сравнения? Какой-нибудь benchmark, вроде того, что бывает в обычных компьютерах для тестирования видеокарты? Когда ты нажимаешь кнопку, и программа говорит: «У вас по такому-то критерию столько-то баллов». Разве такой критерий, применимый к любому компьютеру, существует?

В том-то и дело. Чтобы добиться квантового превосходства, надо придумать такую задачу, в которой квантовый компьютер сможет победить классический. И у такой задачи, разумеется, будет свой критерий.

Дело в том, что если обратиться к критериям классических компьютеров, то их достижение будет равняться решению какой-то существующей полезной задачи. Все-таки все известные на сегодня benchmarks подбирались для решения реальных практических задач.

Мы же, в случае с квантовым компьютером, на первом этапе говорим о некоей абстракции. Логично поэтому, что и критерий мы должны придумать сами вместе с задачей.

Кстати, года три-четыре назад компания D-Wave уже заявляла, что им наконец-то удалось решить задачу, непосильную для классического компьютера.

Эта компания тоже принадлежит Google?

Нет, это независимая компания. Но они продали Google один из своих квантовых компьютеров. Однако в тот момент профессиональное сообщество все-таки не пришло к единому мнению относительно валидности их результата.

Квантовый компьютер D-Wave показал очень сильное ускорение производительности, на несколько порядков выше по сравнению с производительностью классического компьютера. Но там не было понятно, сколько времени решение этой же задачи потенциально займет у классического компьютера. Не было доказано, что у него на это уйдет гораздо больше времени.

Если говорить о достижении Google и их публикации в Nature, то этот эксперимент был поставлен гораздо более чисто. И их benchmark, наверно, более соответствовал правде.

Хотя и эта история тоже не лишена оттенка скандальности. За несколько недель до того, как мы увидели статью в Nature, упоминание о достижении Google на короткий срок появилось в СМИ, по-моему в Wall Street Journal.

И тогда началась перепалка между двумя лидерами в области разработки квантовых компьютеров — Google и IBM. IBM стала говорить, что на самом деле на решение такой же задачи классический суперкомпьютер потратить не 10 тысяч лет, как заявляли в Google, а существенно меньший срок — может быть, несколько дней.

Впрочем, если все-таки говорить о сравнении, то оно в пользу Google — их компьютер решает заявленную задачу за 200 секунд. Понятно, что рядом с несколькими днями это настоящий прорыв. Так что, в конечном счете, заявления IBM лишь подтверждают факт достижения превосходства. Просто имеется в виду, что превосходство пока не так велико.

Компьютер братьев Райт

То есть, чтобы показать превосходство квантового компьютера над классическим, мы ищем специальную задачу? Это тонкий момент и совсем не бесспорный. По сути, мы моделируем квантовый компьютер квантовым компьютером?

Да. В данном случае задача выглядит так, что нам надо промоделировать работу квантового компьютера с помощью квантового компьютера. Если квантовый компьютер работает, фактически он сам себя, в каком-то контексте, и моделирует.

На первый взгляд, ситуация находится в серой зоне. Все-таки хотелось бы увидеть задачу, сформулированную простым логическим способом, которая потом переводилась бы на язык работы квантового компьютера, квантовых гейтов, и получался бы результат.

Между тем компьютер Google всего лишь умеет моделировать поведение, скажем так, других квантовых компьютеров, которые явно не больше, чем он сам, с каким-то набором гейтов. И в том числе, умеет моделировать свое собственное поведение.

Конечно, классический компьютер проводить такое моделирование быстро не умеет. Но здесь вопрос уже не в ускорении, а в том, где пролегает различие между симулятором и универсальным квантовым компьютером.

Универсальный квантовый компьютер — это такой, на котором можно написать некую программу на определенном языке, используя определенные алгоритмы, и он будет ее решать. После этого можно написать другую программу, используя другие алгоритмы, и он также будет ее решать.

Симуляторы же работают иначе. Мы выбираем некую квантовую систему, чье поведение похоже на поведение какой-то другой системы — квантовой или неквантовой. И, рассматривая, как ведет себя в определенных условиях наша квантовая система, мы понимаем, что должно происходить с той другой системой, которую мы изучаем.

Возьмем, например, поведение каких-нибудь магнетиков. Если мы можем на квантовом уровне выстроить похожую систему и наблюдать ее эволюцию, то мы можем описать поведение этих магнетиков или разработать новый материал.

Но ведь это не новая идея. Геологи, например, уже много лет используют геологическое моделирование. Они прямо из пластилина, песка и других материалов складывают разные участки земной коры, а потом соединяют их и смотрят, как эти участки проникают друг в друга, изучают разрезы. И это считается валидным инструментом анализа.

Да, идея, действительно, не нова. Даже вычисления когда-то делались таким образом. Например, если вам надо посчитать синус определенного угла, вы можете придумать алгоритм, способный высчитать его на логических гейтах, а можете просто взять два отрезка, выпилить их из дерева, посмотреть, какой будет их проекция, измерить линейкой и получить результат.

Подобное симулирование, насколько я знаю, применялось еще в середине ХХ века. У него, кстати, есть свои плюсы. Такая система, например, защищена от электромагнитных атак, потому что в ней фактически нет никакого процессора.

И это прямо похоже на квантовый симулятор?

Не совсем. Поскольку в квантовом симуляторе моделируется работа логических, то есть абстрактных, гейтов, то это ближе к универсальному квантовому компьютеру и задачам моделирования на уровне логики.

Именно поэтому пока задача формулируется очень абстрактно. В дальнейшем хочется, чтобы появились и полезные задачи. Но все по-настоящему новое начинается с решения бесполезных задач.

В том же Google сейчас вспоминают первый самолет братьев Райт и говорят, что он тоже был бесполезным, пролетел всего несколько сот метров и так далее. Зато он показал, что аппараты тяжелее воздуха в принципе могут летать. Достижение квантового превосходства — похожая по типу задача.

Квантовая холодная война

Можно ли сравнить гонку за создание квантовых технологий с новой холодной войной?

Если тут и есть аналогия, то очень отдаленная. Если говорить об атомном проекте как важной составляющей холодной войны, то обеим сторонам, и Советскому Союзу, и Соединенным Штатам было понятно, насколько колоссальным разрушительным эффектом обладает ядерное оружие.

После Хиросимы все хорошо представляли себе, что такое атомная бомба, и поэтому ни СССР, ни США никогда не использовали атомное оружие друг против друга, хотя временами их отношения в разных районах мира доходили до прямого противостояния.

Квантовое противостояние устроено иначе. Все стремятся разработать квантовый компьютер, но мы до сих пор не вполне понимаем, как он будет работать.

Нам кажется, что, построив квантовый компьютер достаточной мощности, мы научимся решать такие задачи, которые прежде были нам не по плечу, — сможем разрабатывать новые материалы, находить новые лекарства или создадим настоящий искусственный интеллект. Но мы только гадаем сегодня, как это будет сделано.

Но если говорить о том, что до сих пор обладание ядерным оружием необходимо, чтобы считаться одним из ведущих государств мира, как технологически, так и идеологически, то в случае с квантовым компьютером ситуация, скорее всего, будет похожей. Без собственного квантового компьютера никто не сможет претендовать на роль глобального игрока на международной арене.

Пока что работы над квантовым компьютером в значительной степени ведутся в открытой зоне. Тот же Google публикует статьи в Nature. Какие-то закрытые исследования могут вестись, но все-таки сегодня пока что в основном все открыто.

Вопрос в том, как эти технологии будут развиваться дальше. Не исключено, что доступ к ним будет открыт, например, через облако. Представим, что Америка начала производить квантовые компьютеры. Зачем ей продавать кому-то сами компьютеры?

Сейчас в классических вычислениях очень распространены облачные технологии. Можно просто продавать партнерам доступ к квантовому компьютеру и тем самым ограничивать возможности других стран в доступе к передовым технологиям.

Прямо как в романе Виктора Пелевина «Generation Пи», где России продавали не технологии, а доступ к технологиям? И стоит на той стороне ослабить мощность процессоров, как у нас начинают плохо рендиться депутаты и политики?

Да, причем такие технологии уже существуют, они опробованы и понятны. Например, наш агросектор сильно зависит от импортных семян. Дело в том, что генетически модифицированные растения обычным способом плохо размножаются, поэтому семена приходится специально закупать. Если вдруг их негде будет купить, то нечего будет и сеять.

Похожим образом много лет работает компания Coca-Cola. Скажем, завод запускается в России, а концентрат неизвестной формулы привозится из-за границы.

Или другой пример. Буквально год назад или чуть больше был скандал, когда выяснилось, что компания Apple занижает скорость работы старых процессоров на айфонах, чтобы пользователи скорее переходили на новые. То есть мы с вами пользуемся технологиями, которые полностью не контролируем.

И если вдруг понадобится выключить все айфоны, то технически это будет несложно. Одна команда — и все айфоны перестанут работать.

Еще Apple, оказывается, может удалять из твоей медиатеки фильмы, потому что у них закончилась лицензия на эти произведения. То есть ты вроде как купил фильм, но на самом деле нет.

Наша жизнь, в целом, будет меняться. Она и меняется — с одной стороны, незаметно, а с другой, достаточно быстро. Например, понятие privacy, «неприкосновенное личное пространство», уходит, и это смущает старшее поколение, но абсолютно не смущает молодежь, потому что они уже привыкли, что никакого privacy нет.

Вот так будет и с новыми квантовыми технологиями. Эти технологии будут разработаны, они будут существовать, ими можно будет пользоваться, но нельзя будет владеть, если ты не владелец самой разработки.

Квантовый гараж отменяется

Изначально в развитии квантовых технологий ведущая роль принадлежала ученым. Но последние лет десять в игру втягиваются серьезные гиганты — транснациональные корпорации и государства. Получается, мы уже подошли к тому рубежу, взять который по силам только большим институтам? И никакие квантовый Стив Джобс и квантовый Стив Возняк уже не создадут квантовый Apple, собрав квантовый компьютер у себя в гараже?

Думаю, уже не создадут. К тому же Джобс и Возняк у себя в гараже не занимались производством процессора. И даже не создавали первый в мире компьютер. Напротив, чтобы разработать первую электромеханическую машину усилиями Тьюринга и других инженеров, понадобилось аккумулировать серьезные ресурсы.

Дальше — больше. Чтобы сегодня создать и напечатать новый процессор, необходимы очень большие фабрики и значительные инвестиции. Речь идет уже о десятках миллиардов долларов.

Квантовый компьютер сейчас пытаются строить с использованием серьезных технологий. Конечно, прототипы некоторых типов квантовых компьютеров могут быть сделаны в лабораториях. Где-то — в сотрудничестве с большими компаниями, особенно если это бесфабричные компании, как та же Apple. То есть можно организовать лабораторию из 20 человек и, используя бесфабричный подход, что-то собрать.

Но дальше возникает вопрос: вы же не построите квантовый компьютер, это будет лишь некое железо, выполняющее какие-то операции. Чтобы из этого вышло что-то полезное, надо, кроме систем управления этим железом, создать компиляторы, операционные системы, алгоритмы. И только после этого приложения.

Конечно, двум приятелям в гараже с этим не справиться. Но главное, тот же Google идет по пути развития технологии сверхпроводящих кубитов. А это сложная технология, и поэтому на Google работают совсем не два человека, причем у них еще есть доступ к заделам, оставшимся на фабриках по производству классических процессоров.

Попытка придумать квантовый компьютер так, чтобы он производился на стандартных фабриках, — это одно из усилий. Если оно получится, тогда производство можно будет масштабировать легче и быстрее. Хотя квантовый компьютер на ионах, например, и на атомах — это пока совершенно разные технологии.

Правильно мы говорим про сверхпроводящий кубит, что это, по сути, разорванное металлическое кольцо? И что оно должно быть охлаждено, чтобы в нем возник ток, текущий в одну сторону? Причем из-за того, что кольцо разорвано, ток течет только в квантовом смысле, то есть тоннелирует. И что таким кубитом можно управлять с помощью магнитных полей?

Да, только управляют им с помщью СВЧ-поля.

А еще есть, вы сказали, ионы. Это когда ионы в ловушке, да?

Да. Или атомы. Или фотоны, ведущие себя в резонаторах определенным образом. Это все совершенно разные физически системы. Главное для нас, когда мы говорим про квантовый компьютер, чтобы у квантовой системы было хотя бы два уровня. Два уровня — это кубит. Можно и три уровня. Потребуется немного более сложная логика, но принцип от этого не изменится.

Если мы умеем помещать атом в два разных уровня и управлять ими, то вот вам и кубит. Если мы можем это сделать с ионом, — кубит. С током то же самое. Если мы запускаем его по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно, вот вам кубит.

Получатся, что все-таки эксперименты с кубитами доступны и сравнительно небольшой лаборатории? Требуется только ловушка и лазер?

Да. Причем и то, и другое можно, в принципе, купить. Правда, это обойдется недешево, к тому же их не продают в «Евросети». Скажем, те же лазеры могут стоить несколько сот тысяч долларов. Ну, то есть, в «М-Видео» такое оборудование себе не закажешь, но потенциально лабораторию можно собрать самому и проводить в ней какие-то эксперименты.

Правда, если говорить про доступ к технологиям, то сейчас далеко не все в России могут купить любой лазер, или какие-то измерительные системы, или сверхбыстрые камеры. То есть из-за санкций мы уже сейчас в чем-то начинаем быть ограничены. Пока это так, вполне терпимо, но представим, если это будет серьезно.

Россия в квантовом мире

Кто сегодня основные участники гонки? Про Google все понятно, а кто еще?

Сейчас есть несколько путей. Существует классический вариант — с вовлечением университетов. Например, Гарвард с холодными атомами, где работает Михаил Лукин. Или Университет штата Мэриленд, где работает Крис Монро со своими ионами. Немало институтов, работающих по сверхпроводящим кубитам, можно найти и в Европе.

Но есть и другие пути. Тот же Крис Монро основал стартап INQ. Его капитализация сейчас составляет больше ста миллионов долларов. Буквально две недели назад был анонс, что они привлекли на один из следующих раундов еще 55 миллионов.

В них, кстати, инвестирует и Google, который, с одной стороны, развивает свою сверхпроводящую платформу, а с другой стороны, инвестирует в ионы. Потому что никто не знает, кто победит. То есть пока есть вариант создавать стартапы. Университет — стартап. Посмотрим, что будет.

Еще один вариант — когда есть корпорация со своей внутренней структурой, каким-то RND-центром, работающим над квантовым компьютером. И это как раз случай Google. Этот интернет-гигант в свое время выкупил из университета целую группу Джона Мартиниса. Добавил, наверно, еще компетенций и так далее, точно во много раз увеличил бюджет. Фактически создал RND, выкупив группу.

И мы знаем, что свои группы есть у IBM, у Microsoft, у Intel. Еще из американских компаний Honeywell объявила недавно, что она собирается разрабатывать квантовый компьютер на ионах.

Китайцы активно присоединяются на уровне корпораций. Мы знаем, что Tencent, Alibaba, Huawei также имеют группы по квантовым вычислениям. И академическая составляющая там очень сильная. Цзянь-Вэй Пен, возглавляющий квантовые технологи в Китае, руководит сильной группой по квантовому вычислению. Кстати, у них был план обогнать Google через пару лет. Посмотрим, получится ли.

А что в России?

Мы начали развивать эту тему относительно недавно. Наши инвестиции в рублях меньше, чем у них были в долларах. Странно было бы ожидать, что мы начнем резко догонять лидеров. Но первый кубит мы сделали. Потом сделали два сверхпроводящих кубита и показали первые логические операции на них.

То есть, вроде как, технология есть. Но, говоря откровенно, мы отстаем сейчас от мировых лидеров примерно на 10 лет. У нас есть понимание, как можно сократить это отставание. Но для этого необходимо перейти на другой уровень — не только инвестиций, но и вообще подхода.

Что это значит?

Проект по сверхпроводящему квантовому компьютеру позволил собрать сообщество — над ним одновременно работали шесть-семь институтов. Но фактически это сообщество было разнесено географически на несколько точек. Наверно, имеет смысл консолидировать все таланты на одной площадке, чтобы они могли ежедневно общаться друг с другом.

Более того, необходимо развивать несколько платформ, как это происходит во всем мире. В дополнение к сверхпроводящим кубитам заниматься теми же атомами, ионами и фотонами.

И эти сообщества должны между собой коммуницировать. Если таланты, работающие каждый над своей идеей, будут в коридоре сталкиваться между собой, разговаривать с теоретиками, если на кухне у них будут развешаны доски, они будут обсуждать что-то во время кофе, чая и так далее, то можно ожидать, что процесс ускорится. Это эффективнее, чем просто залить систему деньгами и дать каждому вариться в своем котле.

К тому же, имея заметный, с точки зрения мировых масштабов, центр, сюда проще будет приглашать лидеров отрасли.

А разве сейчас Российский квантовый центр незаметен?

Наш квантовый центр вполне заметен, но он сегодня не сфокусирован на квантовых вычислениях. К тому же много усилий следует направить на освещение деятельности центра. Так, чтобы про него знали в мире. Нам необходимо привлекать экспертизу для оценки наших результатов и напитываться кадрами, у которых уже есть тот самый опыт, в котором мы отстаем на 10 лет.

Чтобы к нам приезжали молодые талантливые постдоки, с нами должны сотрудничать уже реализовавшиеся профессора. Именно это позволит нам быстро пройти путь отставания. А вовсе не то, что мы должны просто работать в 10 раз быстрее и изолированно повторить уже наработанные открытия. Нет, необходимо впитать весь уже существующий в мире опыт.

А кто еще в России занимается квантовыми вычислениями?

По сверхпроводящим системам работают, помимо Российского квантового центра, университеты МИСиС, МФТИ, Бауманка, у которой есть Центр нанотехнологий совместно с Росатомом. Кроме того, по этой же теме работают ВНИИА имени Духова, академический Институт физики твердого тела в Черноголовке.

Если говорить про фотоны, то существует проект, который поддержан Фондом перспективных исследований и реализуется на площадке МГУ имени Ломоносова. Если говорить про атомы, то есть также проект в МГУ и ведутся работы в Квантовом центре. Ионами занимались в Физическом институте имени Лебедева РАН (ФИАН) совместно с Российским квантовым центром.

То есть, в принципе, квантовыми вычислениями в России занимаются. Но еще ни разу никто не ставил четкой общей задачи. А университетам или академическим институтам интересно заниматься наукой, а не строить большие квантовые компьютеры. Им интересна глубокая физика, а вопрос масштабирования — это сложная инженерия.

Из крупных компаний сейчас в квантовых вычислениях особенно заинтересован Росатом. Я знаю это потому, что последние полгода мы активно вместе работали над дорожной картой, сначала по квантовым технологиям вообще, затем по квантовым вычислениям в частности. В результате я вот только-только вошел туда на должность главы проектного офиса по разработке квантового компьютера.

Как обычно, длинное и непонятное название для должности. Что там планируется делать-то?

Сначала мы финализируем план работ — ту самую дорожную карту, о которой я уже сказал. Потом с участием Росатома необходимо будет привлечь финансирование со стороны государства — они это делать умеют, это нетривиальная компетенция.

Ну и главное, что у руководства, с которым я общаюсь, есть воля. То, о чем мы говорили выше. У них есть желание делать квантовый компьютер, значит, есть надежда, что все получится.

Беседовал Андрей Коняев