Поиск - новости науки и техники

Строим из кубитов

Квантовый компьютер сможет решать сверхсложные задачи

С нашим привычным домашним компом его квантового собрата сравнить язык не поворачивается. Они как небо и земля.
Передо мной несколько стоек наисложнейшего оборудования, включая криогенное, – попробуй разберись в устройстве прототипа квантового компьютера! Зато все о нем знает один из разработчиков, молодой инженер лаборатории НИТУ «МИСиС» Илья БЕСЕДИН:
– Действительно, непривычный вид пока. Монитора, например, у нашего прототипа нет. Есть что-то наподобие системного блока. На начальном этапе мы делаем квантовый процессор – ядро нашего устройства и другие узлы, а управление и «ввод-вывод» осуществляются через обычный классический компьютер. Особенность сверхпроводникового квантового процессора в том, что он боится шума и не должен испытывать внешнего воздействия, скажем, магнитного поля Земли и броуновского движения. И чтобы последнее остановить, мы процессор замораживаем, помещая его в криостат, и он работает при температурах, лишь на сотую градуса выше абсолютного ноля.
Самая малая составная часть квантового компьютера, его атом – это кубит, квантовый «двойник» элементарной ячейки классического компьютера, бита. Он может быть выключен или включен. Если в процессоре два бита, то они пребывают в одном из четырех состояний – 00, 01, 10, 11, три бита – восьми и так далее. Количество вариантов состояний в компьютере экспоненциально растет вместе с количеством битов. В отличие от классического процессора квантовый может быть одновременно во всех состояниях с «амплитудой вероятности». Это эффект квантовой суперпозиции. Тогда он выполняет алгоритм не с одним числом, а со всеми возможными одновременно. Для того чтобы воспользоваться таким «квантовым параллелизмом», нужны алгоритмы, которые используют переходы из классического состояния в суперпозицию. Экспоненциальный рост числа состояний процессора – основа вычислительного превосходства квантового компьютера над классическим. Квантовый компьютер из 50 кубитов может работать одновременно с квадриллионом (10^15) своих состояний и находится на пределе того, что делают самые мощные классические суперкомпьютеры. На практике это означает, что если мы создадим квантовый компьютер с пятью-шестью десятками кубитов, то сможем решать практически недоступные классическим компьютерам задачи.
Сердце и классического, и квантового процессоров – кремниевая подложка, на которой с помощью литографии напыляют электрическую схему. Размеры ее элементов в современном классическом ПК – десятки нанометров; у нас самый маленький элемент – около ста. Но сложность в том, что микросхему необходимо поместить в криостат, а цифровая и аналоговая электроника, которая управляет кубитами, как известно, выделяет очень много тепла. Получилось бы, будто в холодильник засунули электроплитку. Как быть? Выход нашли простой: разделили устройство на две части. Один чип (с кубитами) поместили в криостат, а все остальное – в обычную стойку, работающую при комнатной температуре. Замечу, что все наше уникальное оборудование, к сожалению, иностранное. Для двух кубитов оно занимает целую стойку с восьмью приборами, каждый из которых по массе, габаритам и стоимости можно сравнить с типичным сервером в дата-центре.
– Каково быстродействие квантового компьютера?
– Это зависит от условий задачи. Например, решение уравнений квантовой механики, а они необыкновенно сложные, или симуляция химических реакций, точное определение энергии молекул и спектров атомных частиц не по силам даже суперкомпьютерам. Чтобы, скажем, обсчитать движение пары двухуровневых квантовых частиц, нужно всего 32 байта памяти, а для 50 – уже 18 петабайт, или 1,8×1015 байтов, и даже суперкомпьютеры здесь оказываются неэффективны.
– Как вы вышли на эту тему? Вряд ли вы определились еще в университете?
– Я окончил кафедру физики твердого тела и наносистем МИФИ. В аспирантуре занимался рентгеновской дифракцией. Но через год понял, что нужно искать другую тему. Решил, что найти ее лишь по описаниям в Интернете невозможно, – надо знакомиться с учеными, разговаривать, смотреть. Вышел на профессора Алексея Устинова. У бывшего выпускника МФТИ две большие лаборатории: в Университете Карлсруэ и МИСиС. Полетел к нему в Германию буквально на один день – он пригласил меня на собеседование – и понял, что хочу заниматься разработкой квантовых компьютеров. Перешел в ­МИСиС, где работаю уже четыре года. Естественно, мы не единственные, кто занимается этой темой. Есть большие лаборатории в МФТИ и Российском квантовом центре Института твердого тела РАН в Черноголовке, а также отличный технологический центр в МГТУ им. Н.Э.Баумана и команда теоретиков во Всероссийском НИИ автоматики им. Н.Л.Духова. Так что наша коллаборация немалая.
– Пока это фундаментальные исследования или они уже получили практическое продолжение? У науки есть в них потребность?
– Лет 10 назад, безусловно, это была чисто фундаментальная задача, мы решаем ее и сегодня. Понятно, что ни два кубита, таково их число в нашем прототипе, ни даже 50 (как на Западе) практических задач не решат. Пока это – опытная конструкция, на которой мы отрабатываем и совершенствуем схему функционирования данного уникального устройства.
Возможности его применения в будущем огромные, хотя средство это не идеальное и одним махом не справится со всеми наиболее сложными научными задачами. Однако повышение мощности устройств до 500 кубитов, а лучше до 5000, позволит достичь целей, которые на действующих сегодня суперкомпьютерах осуществить или вообще невозможно, или чрезвычайно трудно. Квантовый компьютер поможет, например, при разработке новых лекарств: рассчитать, в частности, их влияние, скажем, на белки человека. Однако его применение будет иметь и отрицательные последствия. Например, надежность очень популярного алгоритма шифрования RSA держится на предположении, что факторизовать очень большое число (допустим, с 2048 двоичными знаками) практически невозможно, так как для этого не существует эффективных классических алгоритмов. А квантовый алгоритм есть, и появление больших полноценных устройств приведет к тому, что данные, защищенные этими алгоритмами, станут доступны обладателям квантовых компьютеров. Придется переходить на другие алгоритмы шифрования, устойчивые к взлому, и делать это с помощью квантовых устройств. Но, главное, они придадут ускорение развитию науки, созданию множества практических приложений.
– Вас поддерживают фонды или крупные компании?
– Компании пока наши пороги не обивают. Нас поддержал Фонд перспективных исследований. В декабре проект заканчивается, но мы рассчитываем на продолжение финансирования.
– Сколько может стоить ваше необыкновенное устройство?
– Одно могу сказать: удовольствие это дорогое. Только установка с криостатом и микроволновым оборудованием для него стоит полмиллиона долларов. Но главное, что купить полноценный процессор, полезный для практических применений, сегодня нельзя. Он еще не сделан, поэтому окончательную цену вам не назовет никто. На мой взгляд, все зависит от того, что с чем сравнивать. Можно, скажем, со строительством термоядерного синтеза или ракеты для полета на Марс. Эти гигантские проекты осваивают всем миром. В нашем случае речь идет о создании принципиально нового устройства микро- и наноэлектроники. Понятно, что сначала оно будет стоить очень дорого, но по мере совершенствования конструкции цена обязательно снизится. Думаю, его разработка по силам ведущим мировым компаниям.
– Раз есть коллаборация, как вы сказали, то можно сравнить ее исследования с западными?
– За рубежом в последние 5-10 лет это направление продвигают такие гиганты, как Google, IBM, Intel и др. Компании поняли, что квантовый компьютер – это реальность, и, боясь опоздать, вкладывают средства в его разработку. Наша коллаборация пока выступает в роли догоняющей. Google создает устройство производительностью в 50 кубитов, а мы, как уже говорилось, отрабатываем первоначальную модель в 2 кубита. Сравнение не в нашу пользу, как, замечу, и финансирование проекта, и численность команды, над ним работающей. К тому же наращивание быстродействия ставит перед нами множество чисто технических проблем. Предстоит, например, сделать новые кабели, поскольку для 100 кубитов существующие просто не подходят. И все же в последние три года наша лаборатория успешно продвигается вперед. Мы перенимаем зарубежный опыт и при этом экономим массу времени и сил, адаптируя его к нашим задачам, так что догонять коллег, в принципе, возможно.

Юрий ДРИЗЕ

Нет комментариев