Физик из Google рассказал о создании квантового компьютера

Джон Мартинис, ведущий квантовый технолог Google, рассказал о создании в его лаборатории сверхмощного квантового компьютера, работу которого будет невозможно проверить при помощи обычных компьютеров, и делится мыслями о том, будут ли подобные машины угрожать военным и государственным секретам. 

На этой неделе в Москве прошла международная конференция по квантовым технологиям ICQT 2017, организатором которой выступает Российский квантовый центр. Ведущие физики мира, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров, технологий квантовой криптографии и систем безопасной передачи данных, представили в ее рамках главные открытия и достижения в этих областях за последние годы.

Профессор Мартинис рассказал на этой конференции о том, как сегодня Google и сотрудники его лаборатории движутся в сторону так называемого "квантового превосходства" – создания вычислительной системы на базе квантовых битов, кубитов, работу которой будет невозможно просчитать при помощи обычного компьютера за время, меньшее чем срок жизни Вселенной.

— На самом деле, подобная формулировка на текущий момент является небольшим, но преувеличением. На мой взгляд, полноценный квантовый компьютер должен не просто работать, а приносить какую-то практическую пользу. В этом смысле мы пока еще не готовы решить эту задачу.

С другой стороны, сейчас мы готовимся и уже работаем над созданием реально мощной вычислительной системы. Сначала нам хотелось бы решить задачу "квантового превосходства", доказав, что квантовые компьютеры действительно могут решать "нерешаемые" задачи, и потом мы начнем думать над тем, как можно его использовать на практике.

Эти опыты, как мы надеемся, помогут нам продемонстрировать мощь квантовых вычислительных систем и их способность получать правильные ответы на очень сложные вопросы. Если у нас все получится, то у нас появится возможность за секунду получать ответы на те задачи, которые самые мощные обычные суперкомпьютеры решают за дни или недели.

— Конечно, с формальной точки зрения, сделать это нельзя, но подобную проверку не обязательно осуществлять путем полного прочитывания того, что происходит внутри квантового компьютера. 

Нам просто нужно убедиться, что параллельные вычисления внутри компьютера действительно происходят, и что его мощность корректным образом увеличивается по мере наращивания числа кубитов.

Если вычислительная мощность и все ресурсы в нашем компьютере будет расти экспоненциально по мере добавления в него новых кубитов, то тогда время получения правильного ответа будет снижаться аналогичным образом. Это покажет, что нам удалось достичь "квантового превосходства".

Зачем мы это делаем? Сегодня многие люди уже вложили или готовы вложить миллиарды долларов в создание квантового компьютера, и мы хотели бы заранее проверить, будут ли эти инвестиции оправданными, создав настолько мощное квантовое устройство, какое мы можем сегодня собрать. 

— Это прозвучит банально, но каждый научный коллектив работает с тем материалом, который его участники считают самым перспективным. Поэтому возникает ситуация, в которой каждый по сути хвалит свое болото. К примеру, мы работаем со сверхпроводниковыми кубитами, и я их считаю наиболее перспективными и интересными объектами для создания квантового компьютера.

Наш же гибридный подход является не устройством, а особым алгоритмом, который позволяет нам соединять большое количество кубитов, необходимых для достижения "квантового превосходства" и управлять их поведением, сильно не усложняя при этом устройство всей системы.

Почему мне кажется, что сверхпроводники победят в этой гонке? В последние годы сверхпроводящие кубиты внезапно начали хорошо работать, мы научились очень хорошо изготовлять их и объединять между собой. Нам уже удалось объединить девять кубитов, и у нас есть веские основания полагать, что их число можно значительно увеличить в будущем.

Прямо сейчас в нашей лаборатории тестируется 22-кубитная машина, и уже сейчас можно сказать, что она в целом работает и что мы в принципе могли бы двигаться дальше. Сегодня мы уже можем сказать, что мы научились создавать "рабочие" квантовые компьютеры и это само по себе является огромным достижением и шагом вперед.

— Этот вопрос, по сути, является следующим логическим шагом в развитии квантовых компьютеров после того, как мы достигнем "квантового превосходства". В последнее время мы все чаще говорим о том, что квантовые компьютеры больше всего нам помогут в изучении квантовых процессов в химии.

Здесь мы фактически возвращаемся к тому, о чем говорил Ричард Фейнман, "отец" квантовых вычислительных систем – мы создаем квантовые компьютеры для того, чтобы решать сложные квантовые проблемы и описывать поведение сложных квантовых систем.

Необходимость в этом есть уже сегодня – по текущей статистике, примерно 30-40% мощностей современных суперкомпьютеров тратится на решение задач из квантовой химии и на симуляцию процессов в квантовом мире.

Что интересно, минимальный уровень производительности квантового компьютера и число кубитов, необходимых для решения таких задач, заметно снизились в последние годы. К примеру, недавно наши коллеги-теоретики из Google опубликовали статью, в которой им удалось еще раз снизить число кубитов и сложность связывающих их элементов, что вплотную приблизило нас к решению этих задач уже сегодня. Разрыв еще существует, но он уже не выглядит таким непреодолимым, как несколько лет назад.

— Мне такие прогнозы всегда кажутся забавными – их авторами обычно являются теоретики, а я и моя команда должны построить подобную машину и решить при этом массу сверхсложных задач. Мы пока лишь знаем, как создать нечто похожее на универсальный компьютер, но не полную его версию. Его создание было одной и причин, почему я начал работать в Google.

Конечно, сегодня мы достигли той точки развития, когда мы просто обязаны попытаться построить универсальную вычислительную машину, и сейчас и мы, и наши коллеги по Google прилагают массу усилий и выделяют гигантское количество ресурсов для решения этой задачи. 

С другой стороны, решение многих практически важных задач не требует наличия алгоритмов и систем коррекции ошибок, и более простые квантовые вычислительные системы можно создать уже сегодня. Проблема пока заключается в том, что мы не знаем, будет ли тот или иной "аналоговый" алгоритм работать в каждом конкретном случае из-за отсутствия строгих доказательств, существующих в "мире" универсальных вычислительных машин.

На самом деле, мы здесь повторяем историю развития компьютерной техники в целом – на заре компьютерной эры существовало большое число эвристических алгоритмов, для которых не было доказательств, но работа с ними помогала двигать вычислительную технику вперед.

Аналогичным образом, аналоговые компьютеры появились намного раньше их цифровых собратьев, и их очень долго использовали для решения серьезных задач, прежде чем появились современные процессоры с их огромными вычислительными мощностями. Нечто похожее, как я считаю, будет происходить и в наших экспериментах и в квантовой индустрии в целом.

— На самом деле, наши кубиты и логические устройства, которые мы изготовляем на их базе, используют третий энергетический уровень для своей работы, и поэтому можно сказать, что они фактически являются не кубитами, а кутритами. И в целом, это очень хороший подход для создания квантовых вычислительных систем с инженерной точки зрения.

Существуют и другие предложения по использованию многомерных пространств для кодирования информации, но пока у нас нет теории, которая бы описывала поведение подобных кубитов.

Эта теория нужна для того, чтобы мы могли находить и исправлять ошибки, возникающие во время работы универсального квантового компьютера. Без подобной система коррекции ошибок мы не можем их использовать в принципе. Конечно, эти идеи интересны, но мне кажется, что полноценный компьютер на базе таких многоуровневых систем будет очень сложно создать.

— На самом деле, это началось уже сейчас – компания D-Wave уже продает вычислительные мощности своих вычислительных приборов клиентам, и IBM тоже уже предлагает такие услуги. Нам кажется, что это правильный подход – он избавляет клиентов от необходимости держать у себя очень сложное и дорогое оборудование.

С другой стороны, Google идет несколько другим путем – мы сначала пытаемся создать "рабочий" квантовый компьютер, и только потом мы начнем делиться его мощностями с клиентами и сообществом. 

Сейчас очень тяжело предсказать то, как на подобные инициативы отреагирует правительство США. Оно уже может работать над различными системами на базе квантовых компьютеров, но об этих проектах мы ничего не знаем, в отличие от наших собственных проектов, полностью открытых для публики. Мы верим, что открытые проекты в этой области принесут пользу обществу.

Если же говорить о самих системах шифрования, люди сегодня активно обсуждают эту проблему и пытаются найти решение. Хорошая новость заключается в том, что уже сегодня существуют протоколы, защищенные от взлома при помощи квантовых компьютеров на уровне математики, и программисты активно разрабатывают их и приспосабливают для практического применения.

Проблема заключается в том, что формальная проверка всех этих алгоритмов требует большого количества времени, и поэтому сразу их никто не сможет внедрить. С другой стороны, у нас еще есть несколько лет, прежде чем появятся первые полнофункциональные квантовые машины, и этого времени хватит для того, чтобы проверить классические алгоритмы, способные противостоять им.

В любом случае, как мне кажется, создать подобный алгоритм гораздо проще, чем создать "рабочий" квантовый компьютер.