Текст уведомления здесь

«В стадии мирной коллаборации»

Один из создателей Российского квантового центра — о перспективах квантовых компьютеров

Громких заголовков про успехи квантовых компьютеров появляется все больше: одни ученые сделали рабочий кубит — элемент квантовой информации, другие — собрали компьютер на десяти кубитах, третьи — показали преимущество квантовых компьютеров над обычными в некоторых частных задачах. Как разглядеть за этим гигантскую историю, меняющую весь мир, рассказывает Сергей Белоусов, генеральный директор компании Acronis и один из основателей Российского квантового центра.
Добавить в закладки
Комментарии

Основа обычных компьютеров — бит — это некоторый объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо «0», либо «1». Бит может кодироваться, например, напряжением полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то значения бита — логическая «1», а если меньше — то логический «0». Память компьютера — это массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Кубиты в отличие от битов могут находиться одновременно сразу в двух логических состояниях. Если бы кубит можно было построить на полупроводником транзисторе, то такой транзистор при попытке измерить его напряжение с определенной вероятностью выдал бы логическую единицу, а с другой, тоже ненулевой вероятностью, — логический ноль. Но получить кубит на транзисторе невозможно, поскольку напряжение на нем всегда определяется однозначно — вместо этого их делают на различных миниатюрных системах, поведение которых описывается законами квантовой физики. Здесь есть два основных направления: одни группы работают с кубитами на основе микроскопических сверхпроводящих колец (логические «0» и «1» кодируют направления тока по кольцу, ток в такой системе может одновременно течь как по часовой, так и против часовой стрелки), а другие — на основе атомов, охлажденных до температуры в несколько кельвин («0» и «1» — это разные энергетические состояния атомов).

В перспективе вычислительная мощность квантовых компьютеров значительно превосходит мощности компьютеров обыкновенных. Если система из двух битов кодирует только два состояния, то система из двух кубитов — сразу четыре (каждый кубит по отдельности одновременно и «0» и «1», а значит два кубита одновременно в четырех состояниях — «00», «01», «10», «11»), а система из 10 кубитов будет кодировать 210, то есть 1024 состояний. При этом вычислительные операции над каждым из этих состояний можно совершать параллельно, и поэтому квантовый компьютер в каком-то смысле — это огромный массив параллельных процессоров

В качестве возможных применений квантовых компьютеров разработчики чаще всего говорят о моделировании различных физических процессов — это очень большие вычислительные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. Кроме этого, квантовые компьютеры часто упоминают в контексте кибербезопасности, поскольку многие современные методы шифрования могут быть легко взломаны за счет квантовых вычислений.

Считается, что на отметке примерно в 50 кубит наступит «квантовое превосходство»: универсальные квантовые компьютеры, то есть умеющие проводить все логические операции, превзойдут обычные не только количественно, по вычислительной мощности, но и качественно — они будут проводить вычисления с точностью, недостижимой для современных технологий. Однако сейчас таких машин пока нет. Самый мощный квантовый компьютер, если ориентироваться только на количество кубитов, у компании IBM: это машина на 17 кубитов.

Главным соперником IBM чаще всего называют Google: у них, по словам руководителя группы квантовых вычислений Google Джона Мартиниса, сейчас идут испытания 22-кубитного компьютера.

Кроме крупных технологических корпораций в квантовой гонке участвуют и различные научные коллективы. Например, на прошлой неделе сообщалось о создании 51-кубитного квантового компьютера группой американских физиков во главе с Михаилом Лукиным, но эта информация оказалась неточной: в препринте научной статьи, рассказывающей об этом открытии, новая система описывается учеными как квантовый симулятор, а не квантовый компьютер, то есть она может моделировать определенные физические процессы, но не может проводить основные квантовые логические операции.

Однако сам Лукин в телефонном разговоре с корреспондентом «Чердака» уточнил, что в будущем они планируют использовать эти наработки для создания универсального квантового компьютера.

Сергей Белоусов. Фото: Сергей Фадеичев / ИТАР-ТАСС
Сергей Белоусов. Фото: Сергей Фадеичев / ИТАР-ТАСС

 — Сергей, когда мы сможем сказать: «Человечество создало квантовый компьютер»? Я имею ввиду не дату, а критерии — как понять, что какое-нибудь устройство — это уже настоящий универсальный квантовый компьютер, а не только его прототип?

— Во-первых, когда мы сделаем на квантовом компьютере симуляцию какого-нибудь действительно важного физического процесса. Например, сегодня Джон Мартинис (14 июля Мартинис читал в Москве открытую лекцию на международной конференции по квантовым технологиям ICQT — прим. «Чердака») привел хороший пример с аммиаком — удобрением, которое гораздо эффективнее синтезируется нашим организмом, чем современной химической промышленностью. Если вы сделаете квантовую систему, которая рассчитает оптимальный синтез аммония, то это будет уже серьезно. Грубо говоря, будет серьезный экономический эффект

Во-вторых, нужно сделать квантовый симулятор, о котором говорил еще Фейнман, — такой, на котором моделируют процессы, не просчитываемые на классическом компьютере. И здесь есть важный промежуточный результат Миши Лукина (Белоусов имеет в виду статью о 51-кубитном симуляторе — прим. «Чердака»). Я думаю еще до конца этого года они смогут решить какую-нибудь задачу, которая на классическом компьютере хотя и решаема тоже, но только за какое-то очень длительное время.

Наконец, третий шаг — это универсальный квантовый компьютер, на котором можно просчитать какую-нибудь задачу — например, факторизовать числа (разложить на множители — прим. «Чердака»), которые на классическом компьютере решаются только за экспоненциальное время, то есть, грубо говоря, за время жизни Вселенной. Когда такое станет реально, то будет понятно, что у нас есть настоящий квантовый компьютер. То есть три стадии: некий квантовый компьютер с узкими задачами, полезный квантовый симулятор, реально полезный квантовый универсальный компьютер.

— Получается, критерии только в решенных задачах? Не в количестве кубитов?

— Количество кубитов — это только одна часть квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров. И пока непонятно, сколько кубитов и какое железо будет у универсального квантового компьютера. К примеру, архитектура, которую представил Миша, кажется, удовлетворяет всем вышеназванным критериям в некой достаточно далекой перспективе.

— Но это же пока совсем не универсальный квантовый компьютер?

— Это похоже на то, что может стать универсальный квантовым компьютером. Когда люди изобрели первые кремниевые транзисторы, они не представляли, что на их основе можно сделать процессоры Intel, хотя с точки зрения дизайна, архитектуры это был точно такой же элемент, который теперь лежит в основе вычислительных плат.

— Все сравнивают квантовые компьютеры и компьютеры полупроводниковые, но почему никто не упоминает, что еще есть другие альтернативы — оптические компьютеры, молекулярные компьютеры?

— Есть два мира — цифровой и квантовый, а в промежутке между ними — разные комбинации. В этом смысле биологические вычисления и любые другие вычисления — просто некоторые вырожденные версии квантовых вычислений: если сделать универсальный квантовый компьютер, то на нем можно будет симулировать все остальные промежуточные компьютеры.

Безусловно, биологические компьютеры более энергоэффективны, чем классические компьютеры, и это очень важно: сейчас вычисления съедают несколько процентов от мировой электроэнергии, а если нам понадобятся еще более мощные компьютеры, то сначала они сожрут уже все электричество, а потом выделят столько тепла, что мы превратимся в маленькое Солнце. Но это не единственная проблема с классическими компьютерами: они еще слишком большие и слишком медленные, а с этим справиться могут только квантовые вычисления.

 — И вы, и другие чаще всего говорят о том, что квантовые компьютеры будут использовать для моделирования различных физических процессов. Не сломает ли это классическое разделение труда у исследователей: теоретик — экспериментатор — моделист?

— Знаете, квантовые компьютеры вместе с технологией глубокого машинного обучения могут вообще отменить необходимость, например, Миши Лукина. То есть они один раз научатся делать эксперименты, а потом будут работать сами.

— Вот как. Так говорят про многие профессии, но физиков в списке возможных жертв искусственного интеллекта упоминают в самую последнюю очередь.

— Теоретически в этом нет ничего невозможного, но ответить точней нельзя хотя бы потому, что человеческий мозг — это самый сложный объект во Вселенной. На эту тему есть три варианта мыслей. Первый представляет [американский футуролог] Рэй Курцвейл, который в своей книге How to Create a Mind пишет, что человека можно создать, грубо говоря, на мощном суперкомпьютере: нужно только много процессоров, хороший алгоритм — и все сработает.

Другой взгляд — это профессор математики MIT Скотт Ааронсон (сейчас он работает в Техасском университете в Остине — прим. «Чердака»), который написал книгу Quantum Computing since Democritus. У него позиция не совсем четкая: он то ли считает, что разум человека можно воспроизвести в классическом компьютере, то ли в квантовом, и сам до конца не определился. Наконец есть слегка сумасшедший Роджер Пенроуз, который тоже написал очень известную книгу (скорее всего, Белоусов имеет в виду книгу «Новый ум короля» — прим. «Чердака»), где основной смысл в том, что человека нельзя никогда создать ни на классическом компьютере, ни на квантовом, и поэтому нельзя будет никогда заменить нашего Мишу Лукина.

Я же склоняюсь к тому, что на квантовом компьютере это будет вполне реально. Но это чисто интуитивное ощущение. Оно может быть обманчивым и выглядеть странным, хотя квантовая механика, к примеру, тоже выглядит странной.

— Люди, разрабатывающие квантовый компьютер, часто повторяют, что это большая гонка, а потом оговариваются, что в ней все участвуют сообща — соревнуются только с природой. Это выглядит странно. Обычно такое противоречие объясняется одной из двух причин: либо общая цель гораздо меньше, чем о ней говорят, и все только изображают гонку, либо общая цель гораздо больше и настоящая работа идет в тайне, как это было с Манхэттенским проектом. Какой вариант здесь?

— Есть два ответа на этот вопрос. Первый заключается в том, что люди плохо видят два типа вещей. Во-первых, маленькие объекты, которые двигаются с большой скоростью: как пули — пиу, и не видно ничего. А во-вторых, это очень большие вещи, которые двигаются сравнительно медленно, — такие как изменения климата. Квантовый компьютер несет огромные перемены, и люди пока их пытаются не замечать.

Что касается второго варианта ответа, то еще с того момента, как вышла общая теория относительности, люди, наверное, понимали, что можно сделать атомную бомбу. А может быть, даже немножко раньше. Общая теория относительности появилась в начале XX века, а Манхэттенский проект возник в 39-м, то есть несколько десятилетий люди мирно коллаборировали, а потом началась тайная работа.

Квантовый компьютер сейчас тоже в стадии мирной коллаборации. Все понимают, что это вроде бы достаточно страшная штука, хотя и полезная, и просто сотрудничают друг с другом, но в некоторый момент такое, наверное, закончится. Мы еще до такой стадии не дошли, но это может произойти, а в мире, где у одной страны есть квантовой компьютер, а у другой нет, все, действительно, может быть не очень хорошо. Это как с ядерной бомбой. Но тут, главное, чтобы это не Северная Корея была.

— По-моему, есть еще одна опасность: порог входа на рынок квантовых вычислений очень высокий. Нужна команда высококлассных физиков, дорогое оборудование. Квантовые компьютеры под силу только государственным структурам или большим корпорациям.

— Нет-нет, это совершенно не так. Люди сравнивают квантовые компьютеры с Манхэттенским проектом или, например, Bell Labs (в лаборатории разработали много важных технологий: от транзистора до языка С++ — прим. «Чердака»), которая в некоторые моменты обходилась в несколько миллиардов долларов в год, но у квантовых компьютеров совершенно другие масштабы. Например, группа Джона Мартиниса состоит всего из 23 человек — на нее нельзя потратить так уж много денег. Создание квантового компьютера — это не обязательно такой тяжелый процесс, его можно сделать, скажем, за сто миллионов долларов. И это, кстати, очень тяжело донести, например, до российского государства.

— Все-таки это не гаражный стартап. Да и свой Цукерберг, пишущий прототип продукта на коленке, в области квантовых вычислений вряд ли появится.

— Сложно сказать. Они все равно появляются! Вот, например, одна компания в Калифорнии недавно подняла под строительство квантового компьютера 64 миллиона долларов, и похожую сумму сейчас собирает один из соперников Миши Лукина, с которым он, собственно, коллаборирует, — Крис Манро из Университета Балтимора. Это не масштабы гаражных стартапов в привычном понимании, но сколько, например, Илон Маск уже потратил на свою «Теслу»? То, что сейчас в квантовые компьютеры не вкладывают повсеместно больших денег, на мой взгляд, объясняется только одним: это настолько большие изменения, что мы их пока не замечаем. Они движутся так, понемногу — у-у-у, все ближе, ближе, ближе, а кажется, что ничего не меняется.

За помощь в организации интервью с Сергеем Белоусовым «Чердак» благодарит организаторов международной конференции по квантовым технологиям ICQT17, проходившей в Москве с 11 по 16 июля.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

«Мы построили лучшую в мире машину»

В Германии начинает работу международный мегапроект XFEL

В сентябре 2017 года стартует научная работа на XFEL — мощнейшем, самом ярком и самом крупном в мире рентгеновском лазере на свободных электронах. «Чердак» в преддверии официальной церемонии открытия поговорил со специальным представителем НИЦ «Курчатовский институт» в европейских международных организациях Михаилом Рычевым о том, чем стал этот мегапроект для России и европейских партнеров и каких научных результатов можно от него ждать.
Добавить в закладки
Комментарии

Справка «Чердака»:

Рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL благодаря своим параметрам будет уникальным инструментом для исследования сверхмалых структур, очень быстрых процессов и экстремальных состояний. С помощью лазера ученые планируют разрабатывать новые лекарства и материалы, его будут использовать в исследованиях по энергетике, электронике и химии. Туннель XFEL длиной 3,4 километра на глубине от 6 до 38 метров начинается в самом большом в Германии исследовательском центре по физике частиц DESY в Гамбурге и тянется до города Шенефельд в земле Шлезвиг-Гольштейн. В Шенефельде расположен исследовательский центр, где будут работать ученые.

Сверхпроводящий линейный ускоритель частиц длиной в 1,7 километра в составе XFEL будет разгонять электроны до энергии в 17,5 ГэВ (гигаэлектронвольт). После разгона до таких высоких энергий электроны направляются через специальные магнитные системы — ондуляторы. При этом частицы испускают излучение, которое постепенно усиливается до очень коротких и интенсивных рентгеновских вспышек. XFEL будет производить рекордные 27 тысяч вспышек в секунду, каждая длительностью менее 100 фемтосекунд (фемтосекунда — одна квадриллионная доля секунды). Аналогичный американский лазер производит всего 120 таких вспышек в секунду, швейцарский — 100, японский и корейский — 60.

В строительстве и эксплуатации XFEL участвуют Венгрия, Германия, Дания, Испания, Италия, Польша, Россия, Словакия, Франция, Швейцария и Швеция, в конце года к проекту присоединится Великобритания. Строительство установки началось в 2009 году и завершилось в 2016 году, его общая стоимость составила 1,22 миллиарда евро в ценах 2005 года. [ ... ]

Читать полностью

На лице написано

Как российская компания создала лучший в мире алгоритм для распознавания эмоций

Московская компания NtechLab развивается стремительно. Основанная в конце 2015, она в том же году выиграла престижный международный конкурс алгоритмов для распознавания лиц, а в начале 2016 года вывела на рынок программу FindFace для поиска людей по фотографиям. В этому году она заняла первое место в чемпионате по компьютерному распознаванию эмоций на изображениях. Как работают алгоритмы, вытягивающие столько информации из кучки битов, составляющих лицо, и зачем нужны такие программы — в репортаже «Чердака».
Добавить в закладки
Комментарии

У Антонины Грибановой очень богатая мимика. Она высоко поднимает брови, мимолетно хмурится и очень много улыбается. Антонина — пиарщик в московской компании NtechLab, где она работает «с самого начала, когда нас было только пять человек и три сервера».

Компания занимается компьютерными алгоритмами распознавания лиц. В 2015 году она выиграла международное соревнование MegaFace: ее алгоритм FaceN распознал людей на фотографиях с точностью более 73%, обойдя программы гигантов вроде Google. Теперь в компании несколько десятков сотрудников, а в портфолио — общедоступный сервис FindFace для поиска людей Вконтакте по фотографиям и серия коммерческих продуктов — для банков, магазинов, фестивалей электронной музыки и казино.

Особые приметы

В основе всех этих программ лежит один главный алгоритм, переводящий каждое лицо в вектор признаков — уникальную последовательность чисел, которая, как последовательности нуклеотидов в ДНК, зашифровывает всю информацию о лице. Работает алгоритм на основе нейронных сетей, которые во время тренировки постепенно понимают, на что именно нужно обращать внимание в изображении. [ ... ]

Читать полностью

Тела грядущих дней

Прошлое, настоящее и будущее киборгов в девяти вопросах

Лет тридцать назад киборгов было принято бояться. То ли люди, дополненные машинами, то ли машины, оживленные людьми, они представлялись жестокими, всесильными и абсолютно неизбежными — такими стопроцентными обитателями недалекого будущего. Реальность распорядилась иначе. Теперь управляемые силой мысли кибернетические протезы помогают инвалидам, а эксперименты энтузиастов с вживлением компьютерных чипов, расширяющих обычные возможности людей, вызывают скорее удивление, чем страх. Почему так получилось и что будет дальше, мы пофантазировали с тремя людьми, близкими к миру киборгов.
Добавить в закладки
Комментарии

Найджел Акланд (Nigel Ackland) работал металлургом на одном из лондонских заводов. Несколько лет назад в результате несчастного случая он лишился правой руки, которая была ампутирована по локоть. После этого Найджел несколько лет пользовался обычными протезами, пока компания RSLSteeper не предложила ему поучаствовать в испытаниях бионической руки BeBionic 3.0, управляющейся силой мысли. Устройство считывает нервные импульсы из верхней, ампутированной части руки, обрабатывает их и преобразует в сигналы, управляющие движением роботизированных мышц. Найджел с помощью своей кибернетической руки может справляться только со сравнительно простыми задачами: завязать шнурки, разбить яйцо в яичницу, налить бокала пива. Но без протеза, по его словам, он уже чувствует себя абсолютно беспомощным.

Валерий Спиридонов — программист из Владимира. Валерий с раннего детства страдает от спинальной мышечной атрофии — врожденного генетического заболевания, приводящего к патологическому ослаблению мышц. Сейчас он может поднимать грузы не тяжелее нескольких сотен граммов и передвигается только на инвалидной коляске. Средняя продолжительность жизни при таком заболевании, по словам Валерия, не превышает двадцати лет. Поэтому в 2015 году он вызвался стать первым добровольцем в опытах итальянского хирурга Серджио Канаверо, готовящего операцию по пересадке головы человека на тело погибшего донора. Сейчас состояние этого проекта не ясно: скорее всего, первые операции Канаверо проведет в Китае и, соответственно, первыми пациентами хирурга будут китайцы. Операцию планируется провести в декабре 2017 года, но с Валерием по поводу этого времени и необходимой подготовки пока никто не связывался.

Ольга Левицкая, нейробиолог, CEO Cyber Myonics, аспирант НИУ ВШЭ. Главный разработчик и испытатель кибермионического костюма CyberSuit, использующегося для считывания и воспроизведения движений и ощущений. Три года назад Ольга в результате рассечения нерва потеряла возможность двигать частью левой руки. Тогда она собрала команду разработчиков, вместе с которыми была создана кибермионическая перчатка. С ней, по словам Ольги, ей удалось не только вернуть подвижность руки, но еще и научиться играть на контрабасе с нуля за 21 день. Перчатка сначала «записывала» движения профессионального музыканта, а потом подавала аналогичные нервные импульсы на неподвижную руку Левицкой, замещая деятельность травмированного нерва. Сейчас в Cyber Mionics разрабатывают несколько версий киберкостюмов для разных нужд, однако для потребителей пока доступны только костюмы для ускоренного освоения игры на гитаре и барабанах.

Найджел Акланд и Валерий Спиридонов. Фотография из архива Валерия Спиридонова
Найджел Акланд и Валерий Спиридонов. Фотография из архива Валерия Спиридонова

[ ... ]
Читать полностью