Компьютер, парадоксов друг Как устроен прототип квантового компьютера

Через 400 метров поверните налево, — ​сообщил навигатор. Чтобы построить маршрут до Российского квантового центра (РКЦ) в подмосковном Сколково, приложение использовало сложные алгоритмы и обращалось к мощным серверам, работающим в облаке, но все равно нашло лишь более-менее оптимальный вариант. Если бы нам потребовалось обнаружить гарантированно самый лучший путь, то пришлось бы перебрать их все, а это требует огромных вычислительных ресурсов.

До сих пор остается немало задач, решить которые можно лишь приблизительно. Поиск идеального маршрута, формирование портфеля ценных бумаг, плотная упаковка багажа, моделирование новых материалов… Сложность таких расчетов растет экспоненциально: если мы хотим смоделировать поведение вдвое большего числа объектов, нам может понадобиться в десять раз больше вычислений. А вот производительность процессоров увеличивается линейно. Даже в идеальном случае два миллиарда транзисторов всего лишь в два раза производительнее, чем один. Неудивительно, что при решении многих задач компьютеры быстро упираются в предел своих возможностей.

Перемахнуть через эту стену обещают компьютеры, работающие на других физических принципах, — ​не полупроводниковые, а квантовые. Созданием таких систем занимаются ведущие технологические корпорации мира, включая IBM и Google. В России эти работы курирует «Росатом», который координирует исследования и проекты десятков вузов и компаний по всей стране. «Мощность квантового компьютера может увеличиваться по экспоненте, — ​рассказал нам Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям ГК «Росатом». — ​С добавлением каждого нового элемента она удваивается и нарастает очень быстро».

ПРИНЦИПЫ

Квантовые компьютеры используют принципы микромира, которые не проявляются на масштабах нашего обычного существования. Первый из них — ​это суперпозиция, наложение разных состояний элементарной частицы одно на другое. Например, электрон обладает спином, моментом вращения, но невозможно в точности сказать, каким именно: спин направлен одновременно во все стороны, просто с разной вероятностью. Благодаря этому квантовая частица находится во всех возможных состояниях сразу. Если обычный бит может принимать значения только 0 или 1, то квантовый бит, кубит, несет одновременно и 0, и 1, и все промежуточные варианты между ними.

Объединить кубиты в систему можно благодаря другому квантовому явлению — ​спутанности. Она помогает связать частицы так, что их свойства будут коррелировать друг с другом. Запутанность и суперпозиция позволяют не перебирать комбинации одну за другой, а работать со всеми вариантами одновременно. Например, не перебирать по очереди маршруты движения к цели, а увидеть их все сразу. «Если мы возьмем восемь обычных битов, то в каждый момент времени они будут соответствовать какому-то конкретному числу от 0 до 255, их можно перебирать пошагово, — ​объясняет Руслан Юнусов. — ​Но восемь кубитов уже содержат все эти возможные состояния. Система может двигаться всеми путями одновременно, и на выходе получить вариант с самой высокой вероятностью».

Теоретическая концепция квантовых вычислений развивается с 1980-х, но ее полноценная реализация началась лишь в 2010-х годах. «До сих пор лишь некоторые квантовые компьютеры работают стабильно круглые сутки, и, насколько мне известно, ни один из них не ведет практически полезных расчетов. Поэтому их все можно считать не полноценными компьютерами, а прототипами, предназначенными для исследований и отработки технологий», — ​говорит Илья Семериков, который работает с одной из таких машин в совместной лаборатории Российского квантового центра (РКЦ) и Физического института РАН им. П.Н. Лебедева (ФИАН). Под эгидой «Росатома» создаются несколько квантовых компьютеров, совершенно непохожих друг на друга.

ПЛАТФОРМЫ

Обычные компьютеры, будь то смартфон или сервер, устроены почти одинаково. Все они используют микросхемы на основе полупроводниковых транзисторов, которые могут либо проводить ток, либо нет. С квантовыми компьютерами все намного сложнее. Для них требуется получать и удерживать набор квантовых частиц, уметь перепутывать их друг с другом, записывать и считывать разные состояния. Но к решению этих задач возможны самые разные подходы. Какими именно будут частицы-кубиты, как ими манипулировать?

Окончательный выбор пока что не сделан, а технологии развиваются, как и положено в мире квантов, всеми путями одновременно.

«Пока лидируют четыре платформы: сверхпроводники, ионы, атомы и фотоны, — ​и мы в „Росатоме“ прорабатываем их все, — ​говорит Руслан Юнусов. — ​У каждой технологии есть свои преимущества и недостатки. Сверхпроводниковые кубиты легче получать в большом количестве, но они требуют сверхнизких температур и очень чувствительны к внешним шумам. Кубиты на ионах, наоборот, трудно масштабировать, зато операции с ними дают очень низкий процент ошибок, поэтому именно они сейчас стали лидерами по производительности». Возможно, что какой-то вариант совершит прорыв и станет доминирующим, как это произошло с транзисторами на полупроводниках. Но есть вероятность, что разные платформы сохранятся и будут применяться для различных задач: ведь где-то важнее число кубитов, где-то — ​их спутанность или стабильность.

«Само по себе это не слишком страшно, — ​продолжает Руслан Юнусов. — ​Человечество строит дома уже тысячи лет и до сих пор не нашло одного универсального материала и конструкции на все случаи жизни. В лесу удобнее выстроить деревянную избу, в центре мегаполиса — ​небоскреб из стекла и стали. Правда, отличий между разными квантовыми процессорами куда больше, чем между избушкой и небоскребом». Сверхпроводниковые похожи на обычные микросхемы, только погруженные в недра большого холодильника, который остужает их почти до абсолютного нуля. Фотонные процессоры используют линзы, зеркала и волноводы, управляющие отдельными фотонами. Ионным и атомным требуются электромагнитные и лазерные ловушки.

ПРОТОТИПЫ

«Мы нагреваем образец металла, тулия. Пока его пары летят по трубке к основной вакуумной камере, мы тормозим и остужаем их с помощью лазера, — ​объяснил нам Даниил Першин, работающий в РКЦ с «атомным» квантовым компьютером. — ​Из печки атомы вылетают на скорости около 300 м/с, быстрее пули, но, прилетая в камеру, замедляются уже до 10 м/с. А далее они остужаются до температуры порядка одной миллионной градуса выше абсолютного нуля. В центре камеры собирается 10–20 тысяч переохлажденных атомов в виде бозе-эйнштейновского конденсата. Это особое состояние вещества дает удивительный объект: облачко, которое можно увидеть и снять обычной камерой, но при этом оно проявляет квантовые свойства».

«Мы используем ловушки с электродами, — ​рассказал Кирилл Лахманский, под руководством которого в соседней лаборатории разрабатывается квантовый компьютер на ионах кальция. — ​Они создают комбинацию электромагнитных полей, с помощью которых мы захватываем заряженные частицы, а затем охлаждаем. Работать мы начали лишь около полугода назад, но уже научились получать цепочки из десятков ионов. А вскоре ждем новый лазер, который позволит манипулировать этими частицами, используя ионы как кубиты. Так что в наших ближайших планах — ​показать надежное проведение одно- и двухкубитных операций».

«В конце 2021 года мы продемонстрировали универсальный четырехкубитный квантовый ионный компьютер, первый в России, — ​говорит Илья Семериков из ФИАН. — ​На фоне мировых лидеров он не отличается выдающимися характеристиками, но все-таки использует некоторые свои оригинальные решения. Например, информация у нас кодируется квантовыми системами не с двумя уровнями, а с четырьмя, не кубитами, а кудитами. Каждый кудит эквивалентен двум кубитам, что позволяет обойтись меньшим числом ионов. А некоторые двухкубитные операции можно проводить прямо внутри одного кудита, что резко повышает их надежность».

ПЕРСПЕКТИВА

Пока что эти системы похожи на большие лабораторные установки или обычные компьютеры середины прошлого века. Они громоздки, капризны и далеко не универсальны, а для обслуживания требуют целую команду высококвалифицированных специалистов. Но ведь классические компьютеры уже прошли путь до надежного, доступного массового продукта, и, возможно, его повторят квантовые. Даже если этого не произойдет, теперь в нашем распоряжении есть технологии удаленного доступа и облачных вычислений. Доступ к большим квантовым компьютерам может быть организован удаленно, как это делает навигационное приложение на смартфоне, обращаясь к облачному серверу планирования маршрутов.

«У нас уже есть программная платформа, способная работать с квантовыми компьютерами разных типов, — ​добавляет Руслан Юнусов. — ​Когда мы доведем до ума „железо“ и сможем делиться его рабочим временем, то откроем дистанционный доступ к ней для других вузов и компаний. Думаю, что такая перспектива вполне реальна на горизонте года или двух». Ну а еще через пару десятков лет мы сможем ощутить влияние квантовых компьютеров и на нашу обычную жизнь. Все наши собеседники дружно сходятся на том, что пока мы в принципе не можем оценить, насколько глубоким оно окажется.

Впрочем, то же было и с классическими компьютерами. Некогда они создавались для решения вполне определенных практических задач, таких как криптография и баллистика. Но уже вскоре стало ясно, что вычислительные способности машин открывают совершенно новые возможности для людей. И в итоге мы оказались в мире криптовалют и метавселенных. «Когда появятся многокубитные квантовые компьютеры, способные выполнять свои „канонические“ расчеты, мы увидим целые классы новых задач, которые пока что даже не ставим перед собой, — ​заключает Руслан Юнусов. — ​Поэтому есть ожидание, что они изменят нашу жизнь так же сильно, как ее уже изменили обычные компьютеры. А может, и еще сильнее».

Руслан Юнусов, Руководитель проектного офиса по квантовым технологиям «РОСАТОМА», кандидат ­физико-математических наук

Особенность нашего подхода в том, что мы напрямую связаны с индустрией. Мы сразу пытаемся определить потребности и реальные задачи, которые могут быть решены квантовой системой. Это, например, логистика: многие нужные для нее вычисления на обычных компьютерах можно проводить лишь приближенно. То же касается расчетов формы крыла самолета или оптимальной упаковки багажа. Пока что наши прототипы еще не могут решать эти задачи, но мы заняты увеличением их мощности и качества. Параллельно учимся описывать нужные задачи через квантовые алгоритмы, отлаживаем их, отрабатываем методы оптимизации… Поэтому когда мы дойдем до нужного числа кубитов, то сможем почти сразу начать использовать их на практике.