Область практического применения квантовых компьютеров: мифы и суровая действительность

14 сентября 2022 г.

О квантовых компьютерах слышали все, почти никто их не видел, а детально разбираются в нюансах их работы единицы. Это породило множество информационных спекуляций на тему возможностей их применения и сроков развития квантовых вычислений. Последние 10 лет о квантовых компьютерах говорят часто, предрекая им будущее, сравнимое с появлением информатики как науки, открытием электричества и созданием атомной бомбы вместе взятых.

Между тем, практические результаты их применения редко впечатляют широкую общественность, хотя и вызывают дискуссии и восхищение в научной среде. Разработкой универсальных квантовых компьютеров занимаются такие компании, как D-Wave Systems, IBM, Google, Microsoft, IonQ, Rigetti, Массачусетский технологический институт, немецкий институт в Юлихе, Российский квантовый центр, Университет науки и технологий Китая и множество других авторитетных научных организаций и крупных корпораций. В этом материале хочется коснуться темы мифов и реальности и практического применении таких систем.

Мифологизация

Глобальные надежды связаны с применением квантовых компьютеров в промышленности и науке. Однако до настоящего момента, несмотря на большое количество различных систем такого типа, их использование не идёт ни в какое сравнение ни с классическими суперкомпьютерами, ни с более традиционными системами. При этом речь о тех областях, где квантовые вычисления и квантовые компьютеры, казалось бы, должны играть доминирующую роль чуть ли не после появления первых прототипов, а именно, речь о работе с большими данными, криптографии, искусственном интеллекте и машинном обучении.

Манипулятивный подход к описанию возможностей и перспектив квантовых компьютеров порождает мифы как на уровне обывательских рассуждений об их применении для «взлома биткоина» или дешифровки сообщений из мессенджеров до глобальных спекуляций из серии про «светлое квантовое будущее». Не слишком компетентные, а часто и откровенно «натянутые на глобус» представления о квантовых компьютерах характерны для технократического, но не слишком хорошо понимающего матчасть гик-сообщества, а также падких на сенсации ИТ-изданий. Вспоминается старый анекдот об ученом и журналисте. На общем фоне растут ожидания быстрой практической отдачи от квантовых компьютеров в прикладных областях, которые часто далеки от действительности. Проблему мифологизации подкрепляет теоретическая сверхпроизводительность квантовых компьютеров.

Отдельной проблемой является укоренившееся у некоторых граждан представление о том, что квантовый компьютер, в силу нашей технологической отсталости, не может быть создан в России. Корни этого представления в громком заявлении главного управляющего компании IBM Арвинда Кришны, который в 2020 году высказал сомнение в способности России создать собственный квантовый компьютер.

Ограничения и проблемы в реальности

Создание полноценных универсальных квантовых компьютеров называют одной из главных задач физики для 21 столетия. Между тем, существуют сложнопреодолимые препятствия на этом пути. Принципиальной проблемой является экспоненциальный рост памяти. В квантовых компьютерах нет привычных намбитов, но есть кубиты (квантовые биты), находящиеся в состоянии 0 или 1 с той или иной вероятностью (состояние суперпозиции). Чем больше кубитов, тем, теоретически, больше память и производительность.

Чтобы поддерживать систему в состоянии суперпозиции необходимо исключить любые внешние влияния на нее. Тут возникает одна из главных физических проблем — изолированность квантовой системы. При работе с процессами в квантовом компьютере, его стараются поддерживать в таком состоянии максимально долго.

Любое минимальное внешнее влияние может нарушить работу и исказить результаты. Однако, чем больше количество кубитов, тем больше требуется времени для поддержки системы в полностью защищённом от внешних воздействий состоянии. В результате исследователи приходят к парадоксу, когда увеличение количества кубитов приводит к уменьшению количества операций. Ключевым параметром тут является время, в течение которого система может находиться в изолированном состоянии. Соблюдение этого условия требует колоссальных затрат, а соответственно, цели вычислений, которые проводятся на квантовом компьютере, должны такие затраты оправдывать.

Не меньшей проблемой является охлаждение. В огромном «зоопарке» экспериментальных квантовых компьютеров применяются различные системы охлаждения. Все они высокотехнологичны, крайне дороги в производстве и эксплуатации, не всегда надежны. Эксперименты и изыскания в этой области ведутся до настоящего времени и далеки от завершения. Например, совместными усилиями российских, швейцарских и американских ученых в 2018 году был придуман нанохолодильних для отдельных кубитов.

В настоящий момент в мире не существует единства мнений о наиболее эффективной и подходящей архитектуре и принципе работы квантовых компьютеров. В разных проектах используются сверхпроводящие, ионные, твердотельные, фотонные и оптические системы. Использование кубитов с недавних пор конкурирует с применением кудитов (расширенной версией кубита, которые могут пребывать в более чем двух состояниях, например 0,1,2). У всех существующих прототипов и проектов существуют критические недостатки, ограничивающие их практическое применение и тем более коммерческое использование.

Обеспечение работоспособности квантовых компьютеров, значительно превосходящих классические по производительности, также содержит концептуальную проблему. Проблему размерности. Экспоненциальный рост объёма квантовой памяти затрудняет описание квантовой системы на классическом компьютере, провоцируя постоянное наращивание её объемов.

Ещё одним сложным и требующим дополнительных исследований вопросом является универсальность квантовых вычислительных систем. В теории квантовый процессор способен проводить любые операции. Но на практике наиболее простым представляется взаимодействие с соседними кубитами, расположенными по прямой в квадратном или прямоугольном массиве. Другие операции возможны лишь в теории, т. к. для них не разработана подходящая архитектура.

Количество кубитов (объем квантовой памяти), количество операций (когерентность) и универсальность (способность проводить разнообразные операции) в квантовой системе являются конфликтующими свойствами. Улучшая один параметр, мы неизбежно ухудшим другой. Именно поэтому пока квантовые компьютеры в сотни и тысячи кубитов могут выполнять только определенные типы операций, но очень быстро.

В связи с этими проблемами сегодня квантовые компьютеры способны решать такие узкие задачи как графовая кластеризация, криптография, молекулярное моделирование и применение некоторых алгоритмов для расчетов при работе с большими данными. Некоторые авторитетные ученые и вовсе высказываются крайне скептически в отношении будущего квантового компьютера. Например, известный физик М. И. Дьяконов в статье для бюллетеня комиссии РАН по борьбе с лженаукой высказался достаточно однозначно: «Представляет ли система из N = 10³÷10⁵ квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда-либо научиться контролировать 10³⁰⁰ (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы? Мой ответ — нет, никогда».

Квантовые компьютеры в России

Упомянутое выше утверждение Арвинда Кришны о неспособности создать квантовый компьютер в России было очевидно манипулятивным. По крайней мере, Россия имеет не меньше шансов достигнуть успехов в этой области, если задача может быть решена теоретически. IBM находится в состоянии жесткой конкуренции с другими лидерами создания квантовых компьютеров, например Google, Rigetti и др. Естественно, новости про появление российских прототипов и выделение средств на разработку квантовых систем в России не могли его обрадовать.

Сама идея создания квантового компьютера уходит корнями в Россию. Квантовые вычисления стали возможны в 70-х годах благодаря российскому математику Александру Холево, определившему количество информации, которое можно сохранить в квантовых состояниях. Одним из первых авторов идеи квантового компьютера стал российский математик Юрий Манин, описавший её в книге «Вычислимое и невычислимое» (1980 год). Ученый предположил необходимость использования машинных квантовых вычислений для моделирования сложных процессов, например, репликации ДНК. Что интересно, это произошло до того, как Ричард Фейнман начал выступать с лекциями «Моделирование физики на компьютерах» и «Квантовые компьютеры».

Ещё в 2019-м году в НИТУ «МИСиС» разработал прототип квантового компьютера, это случилось за год до заявления Кришны. В 2021-м в России появился прототип ионного квантового компьютера, разработанный Российским квантовым центром всего за 6 месяцев. В апреле 2021 года ученые Московского физико-технического института создали первый в России квантовый процессор — интегральную схему на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. В текущем году российские ученые запатентовали архитектуру квантового процессора на основе кудитов, аналоги существуют в Китае и у компании Riggeti Computing. При этом российский компьютер использует собственный ионный принцип, в Китае применяют фотоны, а американцы из Riggeti — сверхпроводники. Иными словами, в этой области никакого существенного отставания не наблюдается, чего, например, нельзя сказать о создании традиционных микросхем и собственных процессоров, остро необходимых для импортозамещения подсанкционных комплектующих.

Прогнозы и выводы

Мне сложно сказать, решаемы ли в принципе проблемы, препятствующие появлению полноценного универсального квантового компьютера. При этом важно понять, что в настоящий момент это не просто сырые технологии, требующие обкатки перед внедрением, но огромный комплекс междисциплинарных теоретических и практических проблем. Безусловно, есть успехи в применении квантовых компьютеров для узкого круга задач, но прорывных успехов практически нет. Существуют громкие заявления, мифы и много кропотливой и длительной научной работы, которая будет продолжаться ближайшие 100 лет. Полноценный универсальный квантовый компьютер, готовый к практической эксплуатации — это не вопрос ближайшего будущего. Широкое применение квантовых вычислений, если доверять лояльным к самой идее квантового компьютера экспертам, может начаться через 50-70 лет. Классические компьютеры прошли путь от архаичных штучных экземпляров, занимавших несколько этажей, до массовых и доступных за 50 лет. Очевидно, что квантовые системы — более наукоемкая междисциплинарная задача, и пройти этот путь быстрее, скорее всего, не получится.

Источник: Владислав Таболин, генеральный директор компании ЕАЕ-Консалт