Российские ученые показали мировой рекорд в квантовых вычислениях

Есть люди, которые до сих пор считают квантовые технологии чем-то сродни алхимии или даже эзотерике, не верят, в общем, в эти технологии. А между тем, квантовые технологии являются одной из главных тем в беседах главы государства с главами госкорпораций и Российской академии наук наряду с микроэлектроникой, новыми материалами и освоением космического пространства. Значит, есть все-таки в них смысл, и нам придется понять, хотя бы в довольно упрощенном смысле, что это такое.

Неделимая «волна-частица»

Справочники говорят нам, что квант – это мельчайшая, неделимая порция какой-либо физической величины, например, энергии или света. То есть, квант света – это один фотон, квант материи — это атом, квант заряда —это заряд электрона... Кванты ведут себя как частицы и одновременно как волны, обладая свойством находиться в нескольких состояниях одновременно. Например, электрон в атоме не имеет фиксированной траектории вращения вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Мы можем измерить его энергию или скорость, но невозможно точно указать его местоположение, не разрушив его состояние.

Такое состояние неопределённости называется суперпозиция. Чтобы наглядно объяснить этот принцип, австрийский физик Эрвин Шредингер в середине 1930-х предложил мысленный эксперимент: кота помещают в темный ящик вместе со смертельным ядом, который с некоторой вероятностью мог сработать или не сработать. Поэтому, пока коробка не открыта (то есть, система не остановлена) мы не знаем, мертв кот или жив, а следовательно он находился в суперпозиции «жив-мертв».

Другой фундаментальной особенностью квантовой механики является квантовая запутанность. Она означает, что состояния двух или более частиц могут быть настолько тесно взаимосвязаны, что их нельзя описать по отдельности, независимо от расстояния между ними. Условно говоря, они «чувствуют» друг друга на большом расстоянии и изменение одной частицы тут же влечет за собой изменение другой. Очень приблизительно описать этот принцип помогает пример с носками. Представьте, что вы купили в магазине новую пару, не различимых между собой носков. Один носок отдали другу, который уехал во Владивосток, а второй оставили себе. Как понять, какой носок оказался во Владивостоке – левый или правый? Никогда не поймете, пока не совершите определенное действие со своим, то есть, не наденете его. Если наденете свой на правую ногу, то во Владивостоке носок автоматически окажется левым.

Описанные принципы используются для создания квантового компьютера. Например, в классическом компьютере элементарной единицей информации является бит, который может находиться только в одном из двух состояний — «0» или «1» («выключено» или «включено»). В квантовом же компьютере аналогом бита является кубит, который может находиться не только в состоянии «0» или «1» , но и в их суперпозиции, то есть одновременно представлять оба значения с определёнными вероятностями. Используя суперпозицию и запутанность, квантовые компьютеры теоретически способны решать определённые задачи значительно быстрее, чем самые мощные классические суперкомпьютеры.

Исчезнет ли двоичная система?

Несмотря на то, что идея о квантовых вычислениях была высказана еще в 1980-м году, – советским ученым Юрием Маниным и американцем Полом Бениоффом, – стартовала квантовая гонка лишь с 2018-го (Россия присоединилась к ней в 2020-м). Как говорят разработчики, понятие «квантовый компьютер» пока находится в новорожденном состоянии и должно пройти очень много времени, прежде чем он «повзрослеет».

Однако уже сейчас многие заявляют, что, достигнув своей зрелости, это чудо техники и человеческой мысли будет отличаться от современного больше, чем современный компьютер от... счет. Если деревянные счеты и наш привычный ПК – это, как ни крути, – звенья одной двоичной системы, то квантовый будет существенно отличаться, позволяя человеку выйти в совершенно другое пространство задач и решений, как в свое время создание космического корабля позволило нам оторваться от Земли и выйти в космос. Вспомним теперь, какой процент людей на заре космической эры верил в то, что это когда-нибудь произойдет?

Предполагается, что «космическое» ускорение вычислений на квантовом компьютере поможет создать персональные лекарства, разгадать секреты работы головного мозга, создать самые надежные системы защиты передаваемых данных, то есть шифрования. Но при этом квантовый компьютер не заменит тот, на котором написана эта статья. Почему? Да потому что у него будут другие задачи, выходящие за рамки обычного компьютера, как задачи космической ракеты выходят за рамки нашего земного скоростного поезда.

Архитекторы вычислений

Перспективным сейчас считается развивать квантовые компьютеры, основанных сразу на четырех разных квантовых платформах: на нейтральных атомах, фотонах, сверхпроводниках и ионах. Россия, как ведущие страны в этой области, тоже развивает эти направления. Специалисты уверены, что разнообразие позволит нам достичь максимум результатов в разных областях вычислений. Не исключено также, что со временем выяснится, что какой-то из данных типов развития – тупиковый, или что возникнет новое перспективное направление.

Наиболее развитой технологией сегодня считается технология создания кубитов на основе сверхпроводниковых схем. Рекордсменом в этом классе считается 1121-кубитный квантовый процессор Condor от компании IBM.

Но само по себе количество кубитов, рассказывает разработчик российского 50-кубитный российского квантового компьютера на ионах Илья Семериков, еще мало о чем говорит. В квантовом компьютере особо ценится качество вычислений, минимизация ошибок, и по этим признакам наш компьютер почти не уступает 1121-кубитному, а вот для достижения точности 56-кубитного ионного квантового компьютера Quantinuum H2-1нам придется поработать.

В российском вычислителе, по словам Семерикова, в роли кубитов используется цепочка из ионов иттербия. Технология ионных кубитов основана на использовании электромагнитных полей для захвата одиночных ионов в пространстве. Эти частицы «подвешены» в некой ловушке и остаются практически неподвижными, что снижает внешние помехи и позволяет удерживать их квантовое состояние достаточно длительное время. В ионной ловушке частицы охлаждаются почти до температуры абсолютного нуля и их состоянием можно манипулировать при помощи лазерных импульсов. Последовательность этих импульсов и составляет основу квантовых алгоритмов.

Итак, в российском компьютере кубитов меньше, чем в американском, однако такое малое количество единиц информации окупается высокой достоверностью операций. Фиановцы опробовали оригинальную идею, «завязав» в качестве одной единицы вычисления не простую кубитную (двухуровневую квантовую систему), а сразу четырехуровневую – кудитную, которая эффективней от 2 до 6 раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления.

Чемпионы тонких состояний

Для некоторых алгоритмов именно такая архитектура алгоритмов оказалась более выгодной, за счет чего еще в прошлом году наши ученые осуществили так называемые алгоритмы Гровера, которые предполагают многократное ускорение алгоритмов поиска несортированных, неупорядоченной баз данных. В ходе эксперимента они обучили при помощи квантового компьютера нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр.

А совсем недавно ученые Физического института отличились тем, что первыми в мире продемонстрировав на своем квантовом компьютере многокубитную запутывающую операцию «гейт Тоффоли» с максимальным числом кубит, о чем на днях вышло сообщение в престижном физическом журнале Physical Review Letters.

Справка «МК». Гейт Тоффоли это квантовый логический элемент, «рычаг», который действует на три кубита (квантовых бита). Он меняет состояние третьего кубита только в том случае, если первые два кубита находятся в состоянии «1» (то есть, показывают правильное значение). В противном случае он не изменяет третий кубит и не влияет на первые два.

– Это была обобщённая многокубитная логическая операция на 10 кубитах, – поясняет Илья Семериков. – На сегодня это самая большая подобная операция, зафиксированный в мировой научной литературе. Этот гейт (или «рычаг») относится сразу к нескольким квантовым алгоритмам, включая алгоритм коррекции ошибок. И то, что мы продемонстрировали, во многом заслуга наших теоретиков из группы Алексея Федорова, они придумали способ, как при помощи многоуровневых квантовых систем провести эту многочастичную операцию, условно, вместо 100 шагов за 10 шагов.

– Насколько квантовые компьютеры уже показали свою мощь по сравнению с обычными?

– Ни насколько... Нет пока полезных задач в которых квантовые компьютеры превзошли бы классические. Это тот результат к которому сегодня стремятся ученые всех стран.

– Но я читала о новых лекарствах от рака, к примеру, которые уже находят при помощи квантовых вычислений...

Речь идет пока о том, что квантовые компьютеры делают какое-то отдельное вычисление по направлению к конечной цели. Пока это пилотные проекты для того чтобы научится работать с квантовыми компьютерами. Приведу такую аналогию, у вас есть машина, которая умеет хорошо считать от 1 до 100, а я прихожу с другой, которая научилась пока считать только до 3-х но очень быстро. Мне говорят: «Окей, увеличьте ее мощность в 30 раз и тогда посмотрим, посчитает ли она до 100?». Вот такой уровень сегодня у наших квантовых компьютеров.

– Искусственный интеллект, – другая перспективная технология, кажется, ушла гораздо дальше. Не окажутся ли усилия по созданию «взрослого» квантового компьютера напрасными?

– Безусловно, ИИ сейчас показывает очень хорошие результаты. С точки зрения создания тех же лекарств, сложных химических соединений, нейросети показывают сейчас гораздо больший результат на сегодня. Мы тоже используем их для оптимизации работы нашего квантового компьютера. Но разница есть: ИИ работает только там, где есть большая выборка, определенная база данных, и нужно только «догадаться», «достроить» картину, которую ждет заказчик — человек. А вот квантовый компьютер сможет работать без исходных данных, без предварительного обучения.

– Но что позволяет верить в его будущие возможности?

– По большому счету пока квантовый компьютер удивителен сам по себе. Многие, даже среди разработчиков, до сих пор не понимают, как у него получаются даже простые вычисления! Показанный нами мировой рекорд с алгоритмом Тоффоли является важным результатом на пути к реальному практическому применению в будущем. Квантовый компьютер должен стать помощником классического компьютера в решении потенциально более сложных задач, таких, как моделирования принципиально новых материалов и химических соединений, задач сложной логистики, энергетики. Алгоритмы для таких задач известны, но для того, чтобы они заработали, квантовый компьютер должен стать на несколько порядков более мощным, чем сейчас. Также квантовые теоретики и алгоритмисты продолжают свою работу и, надеюсь, мы в скором времени увидим и новые классы квантовых алгоритмов.