Что такое квантовые компьютеры и зачем они нужны

Из битов в состояниях 1 и 0 можно составить только четыре пары (00, 01,10 и 11). А вот количество состояний для кубитов составляет 2 в степени n. Для четырех кубитов это 2 в четвертой степени, то есть 16. А для 10 — уже 1024. И это число растет экспоненциально с каждым новым кубитом. 20 кубитов могут хранить уже больше миллиона значений одновременно. А на число комбинаций всех возможных состояний квантового компьютера из 300 кубитов уже не хватит атомов во Вселенной. Еще одно странное свойство кубитов — запутанность, когда каждый кубит мгновенно реагирует на изменение состояния другого кубита. Измерив один кубит, мы можем узнать состояние другого кубита, запутанного с ним.

Обычный компьютер выполняет алгоритм только для одного набора данных. Квантовый логический элемент может обработать несколько входных значений. Задача исследователей — управлять кубитами так, чтобы каждый выполнял свое собственное задание. Тогда вычисления будут проводиться параллельно. Благодаря увеличению количества состояний квантовый компьютер сможет получать результат быстрее, чем обычный, — это квантовое превосходство.

Предполагается, что квантовые компьютеры будут использоваться для решения сложных задач корреляции — например, нахождения элементов в базах данных, шифровки и дешифровки данных. Еще одно важное применение — моделирование молекул. Квантовые компьютеры могут значительно ускорить перебор параметров и поиск нужных корреляций, что позволяет получить заданные свойства. Ученые и бизнесмены надеются на революцию в медицине, органической химии и материаловедении. На качественно новый уровень выйдут возможности систем искусственного интеллекта.

Правда, пока проблема заключается в том, что вы получаете результат с вероятностью, которая может быть меньше 100%. Так что в некоторых областях квантовые компьютеры не могут заменить классические. Ученым только предстоит решить проблемы считывания и интерпретации полученных результатов и коррекции ошибок. Если все заработает, мы будем жить в эпохе совсем иных технологических возможностей. Важность создания квантовых компьютеров для государства сравнима с важностью атомных технологий в XX веке — по влиянию на экономику и обороноспособность, и все ведущие державы вступили в квантовую гонку. И по сложности фундаментальных задач, и по объему новых технологий, которые предстоит освоить, все это напоминает знаменитый «атомный проект». Государство привлекает лучших ученых страны, однако специалисты говорят о необычайно сложной административной задаче управления и синхронизации разных групп ученых и целых отраслей промышленности. Неслучайно во главе проекта «Квантовые вычисления» была поставлена госкорпорация «Росатом». За четыре года требуется совершить невероятное — создать к 2024 году отечественный 100-кубитный квантовый компьютер. Редакция журнала «Популярная механика» пообщалась с участниками проекта и заразилась от них оптимизмом.

Квантовые вычисления не универсальны, они не способны заменить традиционные компьютеры. «Информация обрабатывается хитро, мы пользуемся всем большим пространством состояний, чтобы ее переваривать, но наши возможности считать ее оттуда невелики. Потому что при измерении у вас происходит коллапс до двоичного кода, — говорит старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ, руководитель сектора квантовых вычислений Станислав Страупе. — Поэтому квантовые алгоритмы — наука о том, как извлечь из этого многомерного пространства полезную информацию за небольшое количество измерений». Математический аппарат квантовой теории готов с середины XX века, и сейчас проблема не в математике, а в аппаратной реализации. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, — ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводники. Как и в атомном проекте, никто точно не знает, какая из технологий выйдет в итоге в лидеры, поэтому развивать требуется все.

Сегодня вперед вырвались квантовые компьютеры на базе сверхпроводников. Физика сверхпроводников хорошо изучена, поэтому IBM, Google и D-Wave используют эту технологию. В сообщении Google о достигнутом квантовом превосходстве речь шла именно о процессоре на базе сверхпроводников.

«Кубиты просто электрические цепи, — говорит научный сотрудник группы "Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы" Российского квантового центра Илья Беседин. — Единственное отличие от нелинейного колебательного контура, который проходят в школе, то, что в качестве нелинейной индуктивности используется джозефсоновский контакт — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника». И если в классической электронике все состоит из транзисторов, то в сверхпроводниковой электронике все делают из джозефсоновских контактов, которые являются хорошими нелинейными элементами.

В качестве сверхпроводника используется алюминий, который становится сверхпроводящим при температуре 1,2 градуса Кельвина. Для того чтобы кубиты работали, требуются очень низкие температуры. У всех платформ есть некоторая технология, которая выключает взаимодействие с окружением. В сверхпроводниках — сверхнизкие температуры.

«Рабочая температура нашей установки — 0,01 градуса Кельвина, — говорит Илья. — С этой температурой особенно проблем нет: существуют промышленные криостаты, которые создают нужные условия. Их можно купить, в отличие от маленького чипа, который и обеспечивает квантовые вычисления». Такой компьютер в мобильные телефоны точно не интегрируешь, но и зачем? IBM, Google и Intel просто предоставляют облачный доступ к квантовым компьютерам. Это выгодно, даже если у вас обычный суперкомпьютер, а если квантовый — тем более. «Ничего особо не выиграешь, если у тебя квантовый телефон, — смеется Илья, — трудно представить задачи, которые он мог бы решать и которые не могут подождать соединения с облаком».

Но и у сверхпроводящей технологии есть проблемы, которых нет в системах на ионах и нейтральных атомах. Ионы и атомы — естественная реализация квантовой системы, так как они фундаментально все одинаковы, а сверхпроводники — искусственные структуры, поскольку они делаются литографией, и все они разные. Помимо того, что нужно корректировать ошибки, с каждым кубитом надо «разговаривать» на его частоте. К тому же все сделано на твердотельной электронике, которая имеет прямой контакт с окружающей средой, и процессы разрушения квантовости там сильные.

В системах на ионах все очень классно, пока их немного. У них потрясающее качество логических операций, так как заряженные частицы прекрасно взаимодействуют между собой. Но есть проблемы в том, чтобы сделать сотни ионных кубитов. Ионы ловятся электрическими полями. «Не проблема сделать цепочку из ста ионов, — говорит руководитель научной группы по созданию квантового компьютера на холодных ионах Российского квантового центра Кирилл Лахманский. — Но увеличить больше сотни очень трудно. Проблемы начинаются, когда нужно расположить цепочки рядом, поставить две ловушки очень близко друг к другу. Масштабирование — главная проблема при работе с ионами».

Изолированные ионы и нейтральные атомы висят почти в абсолютном вакууме. В квантовых компьютерах на базе холодных атомов используются сфокусированные лазерные лучи, которые могут в области максимальной интенсивности удерживать атомы. Используя лазерные световые ловушки, можно делать решетку из сотен узлов и в каждый поместить одиночный нейтральный атом, который играет роль физического кубита. Увеличение числа кубитов не требует принципиального изменения установки. «Сложности начинаются с логическими операциями, — говорит Станислав Страупе. — Чтобы квантовое состояние распадалось медленнее, чем выполнялся алгоритм, надо научиться делать стабильные кубиты и совершать быстрые операции. С этим проблема во всех технологиях».

Квантовые вычисления на фотонах на данный момент находятся дальше всего от практического применения по сравнению с конкурирующими платформами. Если на холодных атомах, ионах и сверхпроводниках созданы уже десятки кубитов, то с фотонами дело обстоит несколько по‑иному. «Тем не менее платформа невероятно привлекательна, — утверждает старший научный сотрудник группы "Квантовая оптика" Александр Уланов. — По двум причинам. Во‑первых, фотон — идеальный переносчик информации в квантовом мире, так как практически не взаимодействует с окружающей средой. Во‑вторых, он перемещается со скоростью света. Это гигантское преимущество для квантовых коммуникаций».

Уникальность фотонов еще в том, что они допускают кодирование информации двумя способами — дискретным, при помощи поляризации, и непрерывным, поэтому российская дорожная карта подразумевает как развитие дискретных вычислений, так и непрерывные симуляции на фотонах.

Но есть и проблемы, связанные с этой технологией. Они частично объясняют ее отставание от других платформ. Первая — фотонами сложно управлять. Однокубитные операции делать довольно легко, а вот двухкубитные — сложнее, по словам Александра. Так устроена природа: одну частицу можно изолировать и делать с ней очень точные манипуляции. Если частиц две, то их нужно не просто изолировать, но и заставить взаимодействовать, обмениваться квантовой информацией. Еще одна проблема — квантовая память для света. Если у нас есть какое-то квантовое состояние фотона, то сохранить его, а потом извлечь с большой эффективностью и точностью — очень сложная задача, и практически она еще не решена.

Если математическая модель, которая используется для вычислений с помощью сверхпроводников, ионов и атомов, понятна, то у фотонов гораздо большее многообразие способов квантовых вычислений. Этот потенциал приковывает к ним большой интерес. Фотоны — подарок природы. На это направление возлагаются большие надежды, поскольку школа, которая стоит за фундаментальной оптикой, в России достаточно сильная. «В эту гонку можно смело вклиниться, — считает Александр Уланов. — Здесь наше отставание от мировых лабораторий не является катастрофическим. Все проходится за разумные сроки при выполнении условий, одно из которых — наличие собственного производства фотонных интегральных схем».

Еще одна большая задача — программное обеспечение квантовых вычислений, которое выстраивает связь от квантового процессора к конечному потребителю. Для этого требуется несколько уровней сложнейшей математики. Первый уровень, который очень близок к физике, решает задачи, как на конкретной физической платформе реализовать операции: проанализировать, какие состояния наилучшим образом подходят для реализации, и, выбрав достаточное количество простых операций, построить из них универсальный набор квантовых логических элементов. Кроме того, необходимы методы оптимального управления состояниями квантового процессора, то есть нужно правильно построить систему и защитить ее от внешнего окружения. На этом этапе теоретики очень плотно общаются с экспериментаторами и интересуются, как работают кубиты, какие операции можно делать параллельно, а какие — обязательно последовательно, какие кубиты можно измерять, а какие — нет.

Дальше идут методы подавления и исправления ошибок. Из-за воздействия декогеренции — потери квантовой информации — возникают ошибки в ходе вычислений, и математически можно либо подавить их влияние на вычисления, либо вовсе их устранить. Это уже квантовые аналоги кодов коррекции ошибок в классических вычислениях. «В квантовом мире суперэффективных кодов коррекции ошибок пока нет, — утверждает профессор МФТИ, руководитель научной группы "Квантовые информационные технологии" Алексей Федоров, который и занимается теоретическим сопровождением проекта квантовых вычислений. — Это одна из больших задач».

На следующем уровне абстракции есть квантовый компьютер как ресурс, работающий с ошибками или без. И нужно понять, как построить квантовый алгоритм для решения конкретных задач. Как заставить эту квантовую магию работать? «Строить квантовые алгоритмы — настоящее искусство, — говорит Алексей,. — Их придумано не так много за последнее время — десятки. Это почти магия — заставить квантовую физику работать над решением конкретных задач».

На все это наслаивается более прикладная, но не менее интересная задача — как встроить все это в традиционные инструменты для разработки программного обеспечения? Потому что конечные пользователи систем вовсе не специалисты по квантовым вычислениям. Требуется создать набор библиотек или алгоритмов для традиционных средств разработки, чтобы специализированные задачи отправлялись на квантовые процессоры — QPU, как сейчас графика обрабатывается на специализированных графических процессорах — GPU. Имея такой инструмент, очень абстрагированный от реального «железа», можно максимально приблизиться к конечному пользователю.

Однако это еще не все. «Часть пользователей квантовых компьютеров — ученые, — говорит Алексей Федоров. — Для них нужно создать графическую и максимально приближенную к квантовому компьютеру среду разработки. Чтобы люди обучались и понимали, как работает квантовый компьютер. Чтобы они выбирали кубиты и делали с ними реальные логические операции».

И все это — за четыре года.