Почему квантовые компьютеры вызывают такой интерес? Зачем столько денег вкладывать в квантовые технологии? Что является главным преимуществом квантового компьютера перед классическим?
Руслан Юнусов: Надо начать с того, что если компьютер квантовый, то он должен базироваться на квантовых эффектах. Это такие эффекты, которые мы с вами в обычной жизни не встречаем - суперпозиция и запутанность.
Суперпозиция - это когда частица может находиться сразу в двух или в большем количестве мест одновременно. Не быстро между ними переключаться, а быть и там, и там. В нашем мире так не бывает, а в квантовом это возможно.
Второе квантовое свойство - запутанность. Если совсем просто, это объединение информационного состояния отдельных частиц в одно большое. Например, если мы возьмем 10 квантовых частиц, кубитов, и объединим их, то мы получим 1000 состояний одновременно. 20 частиц - это миллион, 30 частиц - миллиард. Видите, как быстро растет сложность состояния этой системы.
Квантовый компьютер сможет рассчитывать персональные лекарства для пациентов. Фото: Константин ЗавражинЧто квантовые технологии дают в практическом смысле?
Руслан Юнусов: Существуют разные задачи, которые решаются с помощью вычислений. Некоторые последовательно. Вычислили какую-то операцию, взяли результат, с ним дальше что-то сделали, получили следующий и в итоге ответ. Здесь квантовый компьютер вам не поможет и будет проигрывать классическому. Но есть задачи, где важно перебрать много разных вариантов и выбрать наилучший.
Например, есть задача коммивояжера (Одна из самых известных задач комбинаторной оптимизации, заключающаяся в поиске самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. - Ред.) У вас есть курьер, 100 посылок, 100 адресов и надо выбрать наилучший маршрут. Выглядит очень просто, но сегодня даже самый мощный суперкомпьютер решение найти не может из-за того, что очень быстро возрастает сложность этой задачи. Например, если к 100 адресам, добавить всего 1, казалось бы, всего один адрес добавили, но сложность задачи сразу вырастает в 100 раз.
Квантовый компьютер такие задачи будет решать намного быстрее, потому что имея сразу множество разных состояний, может одновременно(!) обрабатывать все возможные варианты. А дальше требуется искусство квантовой информатики - области теоретической науки, для того чтобы составить алгоритм, который перебрав все варианты, выберет самый лучший.
Нужен ли квантовый компьютер для разработки квантовых алгоритмов?
Руслан Юнусов: Если говорить о квантовых вычислениях, то у нас две задачи. Одна - сделать квантовый компьютер, другая - научиться на нем работать. Вот научиться на нем работать - это софт. В основе софта лежат алгоритмы. То есть надо взять какую-то реальную задачу и переложить ее на язык квантового компьютера. Для составления квантовых алгоритмов, в целом, квантовый компьютер не нужен. Другой вопрос, что по мере того, как мы лучше понимаем, как работает квантовый компьютер, мы лучше можем составлять алгоритмы. Несмотря на свою малую мощность и неточность квантовые компьютеры уже могут решать задачи, просто они работают сейчас медленнее чем классические. Хотя уже были показаны несколько экспериментов по достижению так называемого quantum supremacy - квантового превосходства.
В чем заключались эти эксперименты?
Руслан Юнусов: Ученые сказали, давайте найдем такую задачу, где квантовый компьютер будет быстрее обычного. Существует такая задача на нашем уровне развития технологий, или такой задачи вообще нет? Задачи, специально сделанные так, чтобы квантовый компьютер победил, действительно нашли. Другой вопрос, что эту задачу как-то полезно применить пока нельзя. Но тут важно, что было показано - квантовый компьютер не фантазия, не мечта, не выдумка. Что он работает и задачу может решить быстрее обычного. Это первый шаг, и мы его прошли.
Теперь следующий шаг, давайте построим такой квантовый компьютер, чтобы он решил полезную задачу, например задачу коммивояжера, которую классический компьютер не может решить. Этот момент еще не пройден, но будет вероятно пройден в ближайшие 3-5 лет.
Если сравнить квантовые технологии и классическую микроэлектронику и провести аналогию их развития, на каком этапе квантовые компьютеры сейчас находятся?
Руслан Юнусов: Сегодня квантовые компьютеры нужно сравнивать не с микроэлектроникой, а с механической вычислительной машиной Алана Тьюринга, с помощью которой во время Второй мировой войны британцы взломали шифр Enigma немецкого военного флота. Точка, когда появилась первая ЭВМ, еще не пройдена. В России мы хотели бы к 2030 году выйти на уровень, чтобы хотя бы одну, две полезные задачи решить. Другой вопрос, что теперь у нас планка гораздо выше, чем у машины Тьюринга во время Второй мировой войны. Нам же нужно решить задачу быстрее, чем самый мощный суперкомпьютер на Земле.
Про сложность решаемых задач и квантовое превосходство над традиционным компьютером более или менее понятно, а в чем еще преимущество квантового компьютера?
Руслан Юнусов: Чтобы говорить про преимущества, можно сначала посмотреть на узкие места в развитии классических компьютеров. Процессоры становятся все меньше. Точнее транзисторы становятся меньше, и на чипе их все больше и больше, но процесс уже замедлился и горизонт виден. Мы сейчас упираемся в фундаментальный предел размеров атома. Рано или поздно до него дойдут. Есть еще, конечно, такая штука, как трехмерные процессоры. Современные процессоры и сейчас делаются слоями, но слоев не так много. Если бы их можно было бы сделать сильно больше, то получился бы очень мощный процессор. Но тут возникает другая проблема. Его почти невозможно охладить. Процессоры и так сильно греются. А представьте, вы взяли в 100 раз больше слоев.
Нейроинтерфейс даст возможность управлять устройствами силой мысли. Для парализованных людей это решение многих проблемМожно, конечно, объединить в один вычислительный кластер десятки тысяч обычных процессоров. Так работают суперкомпьютеры и дата-центры. Но энергопотребление такого кластера измеряются десятками мегаватт. Это уже похоже на потребление маленького городка. Уже сейчас энергия, которое человечество тратит на вычисления, составляет около процента всей генерации. А теперь представьте, что мы возьмем всю электрогенерацию, которая есть у планеты Земля, и потратим ее на вычисления. Получим прирост всего в 100 раз. Это совсем немного. Даже в мобильном телефоне сейчас стоят процессоры, которые в тысячи или даже сотни тысяч раз превышают мощности первых компьютеров.
Теперь переходя к квантовому компьютеру. Благодаря тому, что у него одновременно очень много информационных состояний, он может обрабатывать много потоков и не требует такого же увеличения количества энергии. 1000-кубитный квантовый компьютер потребляет энергии ненамного больше, чем 10-кубитный. Энергоэффективность квантового компьютера колоссально превосходит обычный. Те задачи, которые умеет решать квантовый компьютер, он будет решать с потреблением очень небольшого количества энергии.
А квантовые компьютеры можно использовать для машинного обучения и для искусственного интеллекта?
Руслан Юнусов: Да. Одно из направлений внутри исследований искусственного интеллекта - это использование квантовых компьютеров для обучения нейросетевых моделей. А собственно обучение искусственного интеллекта - это основная задача в области развития ИИ. И вот здесь квантовые компьютеры могут помочь.
Помимо квантовых вычислений, есть еще квантовое шифрование. Расскажите о нем.
Руслан Юнусов: Квантовое шифрование - это тоже одна из квантовых технологий и очень интересная штука. Вот сейчас информация, которая передается по оптоволоконным сетям, передается в виде импульсов света. Берут один импульс, на него записывают информацию. Но в этом импульсе миллиарды фотонов. И поэтому можно "отщипнуть кусок", и получатель даже не заметит. И можно подслушивать, подсматривать за проходящей по кабелю информацией.
Теперь, если мы возьмем и такую информацию запишем на один фотон, то уже подсмотреть незаметно не получится, потому что так устроен квантовый мир, что считать информацию и не повлиять на нее нельзя. И если вы будете отправлять информацию, записанную на единичных фотонах, незаметно ее подсмотреть невозможно.
Правда, что квантовый компьютер может взломать любой шифр?
Руслан Юнусов: В 1994 году американский математик Питер Шор опубликовал алгоритм, который назвали в его честь, алгоритм Шора. Он позволяет раскладывать числа на простые множители, и в теории позволяет взломать большинство алгоритмов шифрования, которые сейчас используются при передаче информации. Поэтому, если есть достаточно мощный квантовый компьютер, то можно взломать любой современный ключ шифрования. Но если использовать квантовую криптографию, которая защищена природой, то ее никакой квантовый компьютер, ни настоящего, ни будущего, взломать не сможет, потому что мы опираемся на фундаментальные законы физики.
Как квантовые технологии могут использоваться в медицине и биомедицине? Об этом вообще мало что известно.
Руслан Юнусов: Если говорить про биомедицину, то, с одной стороны, мы ожидаем, что квантовый компьютер сможет рассчитывать персональные лекарства. Это задача лежит в области квантового моделирования молекул и обычные компьютеры, даже суперкомпьютеры пока не могут с этим справиться. Это одна область.
Другая область - это квантовые сенсоры. Квантовые компьютеры можно использовать не только для защиты информации и ее обработки, но и для измерения различных полей. Сенсоры могут быть очень маленькими. Атом азота внутри углеродной решетки является сенсором магнитных полей, а магнитные поля могут быть связаны с другими параметрами. Так с помощью наноалмаза можно измерить температуру внутри живой клетки. Рано или поздно мы научимся такие сенсоры внедрять в организм человека и получать больше информации. Обнаруживать болезни на ранней стадии, использовать информацию для лечения. Например, если вы лечите рак и делаете операцию, то хорошо бы точно знать, где проходит граница опухоли. Это одна из важнейших задач при лечении рака - не отрезать живую нужную ткань, а с другой стороны, удалить всю раковую.
А квантовые сенсоры можно использовать для изучения работы мозга?
Руслан Юнусов: Да, конечно. Если мы говорим про измерение магнитных полей, наш мозг - это же электрическая машина. Нейронная электрическая машина. Там есть электрические токи и магнитные поля.
И уже сейчас мы с помощью неинвазивных квантовых сенсоров в виде шапочки можем измерять магнитные поля мозга и видеть общие реакции. Это только начало, что-то похожее на энцефалографию. Но дальше хотелось бы пространственное разрешение сенсоров настолько улучшить, чтобы наблюдать деятельность отдельных групп нейронов. Тогда можно было бы построить неинвазивные нейроинтерфейсы, то есть, управлять клавиатурой, мышкой, например силой мысли. Для людей, которые парализованы, это решение их экзистенциальных проблем. Но и для здоровых людей все равно удобно, надел шапочку и управляешь компьютером или автомобилем. Если нейроинтерфейс будет быстрее и лучше чем физический (мышь, клавиатура, экран, пульт управления), конечно все захотят испробовать такую штуку. Я надеюсь, здесь случится один из технологических прорывов.
А еще интерфейс мозг-компьютер - это база для того, чтобы "примириться" или интегрироваться с искусственным интеллектом. Поле для фантазий тут гигантское, что могло бы произойти по мере слияния/взаимодействия естественного и искусственного интеллекта. Не через языки программирования, не через интерфейс машины, а напрямую. Ведь у нас мозг тоже как компьютер, и он очень адаптивен. Если ему подавать какую-то информацию напрямую, он через какое-то время научится ее обрабатывать, и у нас спокойно может "вырасти" новый орган по взаимодействию с компьютером.
Если вернутся к сегодняшнему дню, какая ситуация с квантовыми технологиями складывается в России? На каком уровне мы находимся относительно других стран?
Руслан Юнусов: Разработка квантового компьютера - с точки зрения железа, это два слоя. Во-первых, для создания квантового компьютера нам нужна нанофабрикация/микроэлектроника. На этапе, где мы сейчас находимся, когда нам не нужно производить миллионами эти чипы, мы справляемся. Но когда потребуется массовое производство, эта проблему придется как-то решать. Запад нам эти технологии не поставляет, но например Китай больше триллиона долларов инвестировал в полупроводниковое производство. И у них очень большие успехи. И это хорошо, что будет не одна точка в мире, где есть передовое производство чипов.
Во-вторых, чтобы квантовый компьютер работал, а сегодня он больше похож не на ПК, а на лабораторный стол, нужны лазеры, причем специальные и очень сложные, вакуумное оборудование. И здесь по некоторым видам оборудования у нас есть компетенции. Более того, мы после введения санкций были вынуждены начать производить собственные лазеры, и они сейчас мирового уровня. Что-то мы вынуждены покупать, что-то делаем сами.
В целом, за последние 4 года мы сильно приблизились к лидерам. Я бы сказал, что мы во второй волне лидеров.
В первой волне Китай и США, дальше идет несколько стран, у которых тоже есть компетенции в этой области. Кто-то в одном лучше, кто-то в другом, и мы сейчас в этой второй волне.
Если опять же говорить о России, что на ваш взгляд нужно для того, чтобы отечественные квантовые технологии развивались дальше? Деньги, компетенции, технологическая база? Во что сейчас нужно в первую очередь вкладываться?
Руслан Юнусов: Ответ тут простой. Конечно, во все. Но можно разобрать ключевые направления. Будет несколько стандартных и одно нестандартное.
Конечно, нужно развивать свою нанофабрикацию и микроэлектронику. Мы здесь с коллегами, которые занимаются классическими компьютерами, в одной лодке. Чем выше будет уровень российской микроэлектроники, тем лучше. И это хорошо, что не только мы эту лямку должны тянуть, потому что это очень тяжелая работа.
Сложное приборостроение. Лазеры, управляющая электроника, компоненты, из которых будет состоять квантовый компьютер. Здесь у нас большие успехи. И в принципе, мы уже много чего сделали. В этом смысле санкции для нас хороший стимул начать делать хорошие продукты.
А дальше люди. Конечно, люди - это ключевая составляющая, чтобы квантовый компьютер был лучше у нас, чем у них. Но когда мы говорим про людей, необходимо воспитывать кадры со школы. Показывать школьникам, что квантовый мир интересен, увлечь их физикой. За последние 10-15 лет в России произошел колоссальный рывок в поддержке науки. Многие ученые вернулись в страну. При этом важно сохранять международный научный обмен. Идеальная картина, это когда студент отучился, поехал в аспирантуру, например, в Китай, потом приехал обратно. У него международный опыт, у него уже связи.
Вы говорили, что есть одно нестандартное направление. Какое?
Руслан Юнусов: Выше я перечислил очевидные вещи. Во многих странах квантовые технологии точно так же развивают. Там тоже есть талантливые ребята. Они учатся, стараются, вкалывают. В этих странах тоже вкладываются деньги в оборудование и во все прочее. Но я думаю, что у нас есть особенный дух, пассионарность.
И вот сейчас уровень этой пассионарности растет в России. И я считаю, это не случайное явление, над ним нужно работать. В наших лабораториях, там, где молодые ребята верят в себя, у них появляются идеи, которых нет ни у кого в мире, появляются результаты на уровне мировых пускай и в отдельных пока областях. Но вот дух и вера в себя оказываются очень важной штукой. Только одних знаний, профессиональных навыков, недостаточно для того, чтобы стать чемпионом. Нужна харизма. Уверенность в себе, в своих силах, в силах своей команды, своего сообщества, уверенность в том, что ты делаешь что-то важное.
Российская газета - Федеральный выпуск: №256(9498).techТехнологии