О том, чем квантовый компьютер отличается от классического и зачем он нам нужен, – рассказал старший научный сотрудник лаборатории квантовой оптики и квантовой информатики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Центра квантовых технологий МГУ Леонид Герасимов.
Чем кубит лучше бита?
Ольга Сальникова, АиФ-Петербург: Леонид Владимирович, что такое квантовый компьютер, и по какому принципу он будет работать?
Леонид Герасимов: Основное отличие квантового компьютера от классического состоит в том, как он обрабатывает данные и с какими данными работает. Привычные нам устройства (смартфоны, ноутбуки) используют биты – это единицы информации, которые могут принимать всего два значения: либо 0, либо 1. Квантовые же компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов – так называемых кубитов, в качестве основы для которых могут служить различные объекты (атомы, ионы, фотоны, сверхпроводники и др.).
В отличие от классических битов, они могут находиться в состоянии квантовой суперпозиции, то есть могут одновременно быть и 0, и 1. Именно это дает квантовому компьютеру ресурс для ускорения вычислений по сравнению с обычным компьютером. Например, если мы складываем два классических бита, то это четыре разные операции: 1 и 1, 0 и 0, 0 и 1, 1 и 0. Квантовый компьютер на основе двух кубитов сделает эти операции параллельно и одновременно, тем самым в четыре раза сократив скорость решения задачи. При этом добавление каждого кубита потенциально позволяет удвоить быстродействие машины. Это имеет перспективы эффективного применения в задачах, требующих обработки большого количества данных – от финансовых систем до фармацевтики, в том числе создания новых лекарств.
– На какой стадии сейчас находится разработка квантового компьютера, в том числе в Петербурге?
– Развитие квантовых технологий и изобретение квантового компьютера связаны с определенными сложностями, которые сейчас пытаются преодолеть ученые во всем мире.
В частности, необходимо найти и создать физические условия, в которых кубиты в течение достаточно длительного времени смогут сохранять состояние квантовой суперпозиции, говоря простым языком – максимально продлить жизнь кубита. А квантовое состояние отличается большой хрупкостью, любое внешнее воздействие (изменение температуры на мельчайшую долю градуса, давление) может разрушить эту квантовую связь, и кубит «погибнет». Также важно добиться, чтобы в долгоживущем состоянии квантовой суперпозиции находилось как можно большее число кубитов. Наша научная группа СПбПУ занимается теоретическими разработками квантового компьютера, экспериментальные исследования проходят в лаборатории Центра квантовых технологий МГУ – там находятся оптические столы, ловушки для атомов и проводятся эксперименты по контролю и наблюдению кубитов. Как физически происходит «добыча» кубитов? Атомы химического элемента рубидия-87 при помощи магнитно-оптической ловушки охлаждаются до сверхнизких температур (десятки микрокельвин). Далее при помощи оптического пинцета из ловушки выхватываются одиночные атомы, которые ученые собирают в упорядоченные массивы. Они и будут материальной основой для квантовых регистров и в будущем – для квантового компьютера.
Нам уже удалось собрать довольно большие массивы кубитов, каждый из которых может жить десятки секунд – в сфере квантовых технологий это очень длительное время. Сейчас эффективно совершаются операции с одиночными кубитами и ведутся разработки для осуществления двухкубитных операций. Также разрабатывается техника охлаждения атомов до более низких температур и ряд других подходов, позволяющих продлить жизнь кубитов.
Кто достигнет квантового превосходства?
– Говорят, что полноценный квантовый компьютер появится к 2027 году. У какой страны есть шанс выиграть эту «квантовую гонку» и представить разработку первой?
– Лично я бы таких прогнозов не делал. Сегодня разработкой квантового компьютера (пока на лабораторном уровне) занимаются разные группы ученых из США, Китая, Германии, России и многих других стран. И удастся ли одной определенной группе создать универсальный квантовый компьютер для решения беспокоящих человечество задач – большой вопрос. Вполне возможно, со временем миру будут представлены несколько разных типов квантовых компьютеров для решения узкого круга конкретных задач. И полагаю, что победителей в «квантовой гонке» не будет, так как в науке все же границ нет – это международный процесс. Например, наша команда активно сотрудничает с лабораториями Франции, Германии, США. Крупные компании, считающиеся лидерами в квантовых разработках, объединяют ученых из разных стран, в том числе выходцев из России.
– В 2019 году крупнейшая американская транснациональная корпорация заявила, что их квантовая машина за три минуты провела вычисления, над которыми самый мощный суперкомпьютер бился бы 10 000 лет. Почему это достижение поставили под сомнение?
– Действительно, у многих исследователей возникли вопросы к данному результату. В частности, было отмечено, что о достижении квантового превосходства говорить не только рано (по их данным, классический суперкомпьютер после должной оптимизации алгоритмов сможет справиться с этой задачей всего за 2,5 дня), но и не вполне корректно. Связано это с тем, что едва ли квантовые компьютеры когда-либо смогут достичь окончательного «превосходства» над классическими: в решении практических задач, скорее всего, будут задействованы компьютеры обоих типов, поскольку у каждого имеются свои уникальные преимущества. Однако если с самим квантовым компьютером пока больше вопросов, чем ответов, то квантовые технологии уже шагнули далеко вперед. Там все очень интересно! Например, исследования кубитов в некоторой мере послужили мотивацией для разработки технологии квантовых сенсоров – чувствительных датчиков, которые могут сделать прорыв в медицинской диагностике. Кроме того, квантовые технологии уже используются в сфере коммуникаций – они дают возможность передавать информацию по защищенным каналам, безопасность которых обеспечивается законами квантовой физики. Линию передачи секретного ключа шифрования невозможно ни взломать, ни прослушать. Если объяснять простым языком, то секретная информация передается в виде квантовых частиц. При попытке взломать канал состояние этих частиц поменяется, о чем узнают отправитель и получатель.
В этом году линия квантовой связи, позволяющей шифровать голосовые сообщения, появилась и в России – между Москвой и Санкт-Петербургом. Ее длина составляет 650 км, и ее запуск – заметный шаг в развитии квантовых технологий. Но, вероятно, потребуется проделать еще немало работы, чтобы обеспечить полную квантовую защищенность этого канала. Для эффективного и безопасного осуществления квантовой связи на таких значительных расстояниях необходимо использовать так называемые квантовые повторители – аппараты, способные принять квантовый сигнал и передать его на следующий сегмент канала без внесения в него дополнительных помех. Это чрезвычайно важно из-за высокой чувствительности квантовых сигналов к внешним воздействиям, и разработкой подобных приборов заняты многие исследователи во всем мире.
– Вы упомянули суперкомпьютер. Чем он отличается от квантового?
– Здесь стоит вернуться к началу нашего разговора и проблеме перебора данных, с которой сталкивается классический компьютер. Машина просто перебирает все возможные варианты решения, пока не найдет нужный. Квантовый компьютер ищет решения параллельно, благодаря чему каждый добавленный кубит потенциально способен увеличить его скорость вдвое. С классическим компьютером так не получится, и чтобы вдвое ускорить его, нужно добавить вдвое больше процессоров. Однако это приводит к быстрому росту потребляемой энергии и других ресурсов. Именно поэтому суперкомпьютер – это «штучный» дорогостоящий товар. Тем не менее в России уже работают, обрабатывая большие массивы данных, десятки суперкомпьютеров – один из которых есть и в петербургском Политехе.
Кстати
Ежегодно в России составляется рейтинг топ-50 лучших суперкомпьютеров. В 2021 году первое место занял суперкомпьютер одного из крупнейших банков страны, второе – вычислительный аппарат из МГУ («Ломоносов-2»), третье – машина, принадлежащая одной из компаний связи, четвертое – суперкомпьютер Росгидромета, пятое – «Политехник – РСК Торнадо», разработанный СПбПУ.
Проект реализован на средства гранта Санкт-Петербурга
Компьютер – в голове? Зачем на самом деле людям нужны чипы 
Почти у 17 тысяч петербургских школьников нет компьютеров 
В Петербурге начал работу самый мощный компьютер России 
Петербуржцам разрешат сдавать в экомобили старые компьютеры