Большая игра: как выходцы из России могут стать лидерами квантовой гонки

9 Января 2018

МОСКВА, 9 января — Михаил Лукин, сооснователь Российского квантового центра и профессор Гарварда, рассказал, как его команде удалось создать пока самый большой и точный на сегодняшний провали квантовый компьютер в мире, кто победит в квантовой гонке, а также поделился прогнозами о том, как подобные машины могут радикально преобразить мир.

Сегодня есть два основных подхода к разработке подобных устройств классический и адиабатический. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, чьи кубиты подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Эксплуатация подобного вычислительного устройства в идеале не будет страшного отличаться от того, как инженеры и программисты управляют крошечными компьютерами.

Адиабатический лэптоп проще создать, но он ближе по принципам своей сооружи к арифмометрам, логарифмическим линейкам и аналоговым вычислительным машинам начала прошлого века, а не к цифровым устройствам современности.

В былом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских данная стран заявляли о том, что близки к созданию подобной электромашины. Лидером в этой неофициальной гонке считалась группа Джона Мартиниса, разрабатывающая необычный гибридный выход из ситуаций универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Большая квантовая игра

Михаил Лукин неожиданно для всех превзошёл Мартиниса, заявив 14 июля 2017 года о том, что его команде удалось сделать 51-кубитную машину, и пообещав рассказать о принципах ее сооружи и устройства в одном из ведущих научных журналов, что произошло уже в конце ноября.

Неожиданность заявления Лукина во многом была связана не только с самим фактом создания столь сложной электромашины, но и с тем, что она была основана не на тех квантовых технологиях, алмазных кубитах, кои его команда разрабатывала на протяжении последнего десятилетия.

Мы не отказывались от них и продолжаем работу и с алмазами, и с другими аналогами твердотельных систем. Многие из наших разработок сегодня используются не только в рамках наших собственных экспериментов по созданию квантовых компьютеров и сетей, но и на практике, в качестве различных сенсоров, заявил ученый.

Как отметил Лукин, его команда параллельно думала о применении других вариантов создания квантовых компьютеров. По его словам, эксперимент с нейтральными атомами возник не на безыдейном месте Лукин и его коллега Игнацио Ширак (Ignatio Cirac) впервые побеспокоились об этом еще в 2001 году, но только сейчас им удалось реализовать эту идею благодаря развитию лазерных и квантовых технологий.

В принципе, как мне кажется, еще очень рано объявлять победителя в квантовой гонке разные квантовые площадки имеют свои плюсы и минусы. Поэтому нам крайне важно не фокусироваться на одной из версий, а исследовать все возможные варианты, продолжает Лукин.

К примеру, хорошие и ионные кубиты, на базе которых Лукин и его конкуренты из университета Мэриленда под руководством Кристофера Монро (Christopher Monroe) создали свои квантовые вычислители, отличают высокая приспособляемость и удобство в работе.

Кубиты на базе холодных атомов и ионов невероятно гибки в работе фактически ими можно шатать, перепрограммировать и менять их конфигурацию прямо во время проведения вычислений. В этом проекте твердотельные платформы, которые делают наши австралийские коллеги на базе кремния и фосфора, им сильно уступают, так как их почти нельзя поменять после того, как был сделанный чип, обозначает физик.

Этот плюс атомных и ионных систем, как считает Лукин, позволит в ближайшее расписание занять лидирующие позиции в квантовой гонке, так как ничто, в принципе, не мешает ни его команде, ни группе Монро создать более сложные вычислительные системы, кои будут включать в себя не десятки, а сотни кубитов.

Атомные кубиты, по мнению основателя РКЦ, смогут достичь этой отметки быстрее, чем их ионные аналоги, так как их гораздо проще видеть, чем большое число анионов, несмотря на то, что пока первые уступают вторым в качестве работы.

Дело в том, что при повышении числа ионов они начнут все мощнее отталкивать друг друга, в результате чего система станет неуравновешенной. Крис и его коллеги смогли решить эту проблему для 53 ионов, однако, что произойдет дальше, пока не понятно. Будет очень любопытного взглянуть на то, как станет развиваться ситуация, в то время, когда мы выйдем на уровень в несколько сот кубитов, поясняет исследователь.

Квантовые шрамы

Главным своим достижением педагог Лукин считает не сам факт создания компьютера, а необычный квантовый феномен, который пошло открыть его команде, имею за поведением атомов и электронов во время работы этого вычислительного устройства.

Мы перешли порог, в то время, когда можем совершать открытия, инсталлирую подобные машины. Сейчас доктринеры думают о том, как можно объяснить то устойчивое состояние, которое возникает в нашей системе, если привести ее в неравновесие. Сейчас они пытаются объяснить это, инсталлирую некий аналог математической теории хаоса, называя этот феномен квантовыми ранами или квантовыми шрамами. Как мне кажется, все самое интересное в ближайшие 9-12 месяцы будет открыто именно здесь, заявил физик.

Несмотря на то, что квантовая машина, созданная Лукиным и его коллегами, знает собой адиабатический компьютер, те же самые кубиты, как отметил ученый, можно инсталлировать и для создания универсальных квантовых вычислителей.

Безусловно, мы могли бы проводить такие эксперименты прямо сейчас, но нужно понимать, что сегодня в нашей сферы науки нет четкой границы между адиабатическим подходом и принципами, которые используются при реализации отдельных логических операций. Высокая приспособляемость и настраиваемость нашей системы еще больше размывает эту границу. Скорее всего, гибридный приход к вычислениям, сочетающий крестики того и другого, будет самым интересным для нас, пояснил ученый.

Как отметил Лукин, его команда уже срабатывает над созданием алгоритмов коррекции ошибок и соответствующей архитектуры, коя позволяла бы их воплощать на базе атомных кубитов, однако подобные опыты имеет смысл отшить только после того, в то время, когда вычислительных модулей станет значительно львиного.

Пока мы не знаем, как создать компьютер, состоящий из нескольких тысяч или даже соток кубитов. Добавление алгоритмов корректировки ошибок повысит сложность такой организации еще на порядок, и мы просто не понимаем, как такую систему можно масштабировать. Скорее всего, мы сейчас даже отдаленно не можем представить себе то, как будет выглядеть подобный универсальный и расширяемый компьютер будущего, заявил Лукин.

По его словам, первые крупные квантовые компьютеры, вероятно, будут иметь не монолитную архитектуру, а состоять из модулей наборов из нескольких несколько десятков кубитов. Эти блоки объединят между собой при помощи плоской сети, так называемого квантового интернета, что позволит им проводить достаточно сложные и объемные вычисления, недоступные для реализации на обычных суперкомпьютерах.

Практическое квантовое превосходство

Другой большой неприятностью станет, как бы это парадоксально ни звучало для обывателя, проверка того, вручают ли подобные машины корректные результаты. Сложность заключается в том, что обычные суперкомпьютеры в принципе не могут проверить результаты квантовых вычислений, если число кубитов достигнет той отметки, когда машины на их базисе станут полезными на практике.

Как относит Лукин, для их апробации не обязательно создавать сложные методы и хитрые математические подходы, которые сейчас разрабатывает команда ученых под руководством Джона Мартиниса (John Martinis). Для этого, по мнению преподавателя, достаточно попытаться решить при их помощи известные оптимизационные роли, например распределить потоки электромашин по городу или спрогнозировать действие экономики страны.

Что точно можно сделать попробовать снять оптимизационную задачу. Прелесть данных задач заключается в том, что решать их сложно, а проверить очень просто. Есть множество методов, которые могут эффективно справляться с ними, используя относительно немного около 100 или 200 кубитов. И если они отобразят себя с хорошей стороны, то тогда мы решим сразу две актуальные проблемы покажем, что данные компьютеры полезны и что они работают корректно, отмечает Лукин.

Есть и другие квантовые программы, позволяющие решить схожие задачи, такие, например, как знаменитый алгоритм Шора, позволяющий взломать систему шифрования RSA, но они принимают более узкий спектр применения и экономическую нишу.

Оптимизационные задачи, в свою очередь, затрагивают очень большое число областей науки и жизни, в том числе искусственный интеллект и машинное обучение, и их эффективная реализация резко расширит поле, где квантовые компьютеры могут применяться. Подобная демонстрация практического квантового превосходства, как считает Лукин, привлечет внимание и деньги инвесторов.

Этот успех станет большим плюсом и для науки только реальная квантовая машина, по мнению гарвардского физика, позволит ученым, занимающимся разработкой программ для будущих квантовых компьютеров, проверить большее число алгоритмов и теорий.

Если посмотреть на то, как развивались обычные компьютеры (об этом, кстати, писал сам Питер Шор), можно определить, что на заре их развития существовало много алгоритмов, которые считались тогда очень хорошими. Но оказалось, что многие из них бесполезны на практике. И только недавно математики выяснили, почему они не работают. То же самое, как мне кажется, произойдет с квантовыми компьютерами жизнь полна сюрпризов, заключает Лукин.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Большая игра: как выходцы из России могут стать лидерами квантовой гонки

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер режиссер Федор Петрухин