Биты и кубиты

Сергей Медведев: Вопрос, который мучает меня давно: квантовый компьютер. Доводится очень много о нем слышать, и чем больше я слышу и читаю, тем меньше понимаю, как он работает и для чего он нужен. Тем не менее, пишут, что это какое-то фантастическое будущее, которое делает наши обычные компьютеры просто топором неандертальца. Для того чтобы понять, так ли это, мы позвали специалиста по квантовым компьютерам, по квантовой механике – Валерия Рязанова из Института физики твердого тела Российской академии наук.

Расскажите про квантовый компьютер. Как я понял, существует предположение американского физика Фейнмана о том, что на обычном компьютере нельзя полностью рассчитать физическую систему, а на квантовом можно.

Валерий Рязанов: Есть очень сложные системы, которые невозможно рассчитать.

​Сергей Медведев: Только очень сложные или любую систему невозможно?

Валерий Рязанов: Тут все зависит от числа. Если приводить пример цивильных, общезначимых задач… Например, задача оптимизации, задача путешественника: человеку нужно проехать N городов и выбрать оптимальный путь. Надо увеличить число городов, задача возрастает экспоненциальным образом с увеличением числа N. Квантовый алгоритм позволяет такую задачу свести к степенной зависимости, и можно гораздо быстрее решить ее с помощью квантовых алгоритмов. Вторая такая задача тоже известна – это разложение на простые множители.

Сергей Медведев: То есть если взять какое-то число, компьютер может перемножать числа, но из каких множителей было сделано это число – это сложнее.

Валерий Рязанов: Лет пять назад, когда все это начиналось, считалось большим достижением то, что квантовая система разложила число 15 на 5 и 3. На самом деле это простое число, два множителя, а когда число этих множителей увеличивается, опять-таки, поиск этих множителей существенно удлиняется. На самом деле для кодирования нужно расшифровывать числа, которые содержат очень много сомножителей. Там это дело возрастает просто факториально, то есть почти экспоненциально, и "затыкается", где-то дойдя до 13-15 сомножителей.

Сергей Медведев: И для этого нужны квантовые компьютеры, здесь лучше подходит квантовый компьютер, чем обычный?

Валерий Рязанов: Нельзя сказать, что любые задачи решаются с помощью квантового компьютера. Две задачи я назвал, и есть еще ряд задач. Моделирование квантовых систем, создание, расшифровка сложных молекул, создание, проектирование новых материалов – это все очень емкие задачи, непосильные для классического компьютера.

Сергей Медведев: Прогноз погоды – тут тоже много переменных. Или имитация ядерного взрыва.

Валерий Рязанов: Последнее, это, наверное – ближе. Один из проектов, в котором мы участвуем, ведется при поддержке Минобрнауки, Росатома и Фонда перспективных исследований. Росатом среди немногих организаций выразил заинтересованность, но, главным образом, в моделировании материалов.

Сергей Медведев: Чем отличается квантовый компьютер от обычного компьютера? Это принципиальная разница?

​Валерий Рязанов: Разница принципиальная. Все, что сейчас сделано с обычным компьютером, – это в каком-то смысле примитивно, потому что это нули и единицы.

Сергей Медведев: Бит информации, да или нет…

Валерий Рязанов: Из этого обычного бита нужно потом построить алгоритм, который делает все, что угодно, возводит в степень, берет интеграл и так далее. У вас одна и та же машина, но, задавая алгоритм, вы решаете множество задач. А что является битом на языке квантовых процессов? Такой естественный, типичный квантовый процесс наблюдается, например, при исследовании ядерного магнитного резонанса.

Вообще, это можно так себе представить: если из центра сферы провести радиус, вектор единичного размера, то бинарная классическая логика – это вектор вверх или вектор вниз, единица или ноль, а в случае квантовой логики – это вектор, который бежит по всей поверхности единичной сферы, и тогда появляются два угла, две координаты. То есть, зная об эволюции этого вектора, вы знаете сразу две координаты. Уже для такого единичного квантового бита вы имеете естественный параллелизм.

Дело в том, что сейчас большие задачи решаются также на обычных (классических), но многоядерных процессорах, они параллельно ведут несколько вычислительных процессов, где-то ответы сводятся вместе, и продолжается дальнейшее решение задачи. А в квантовом случае этот параллелизм естественный, поскольку у вас сразу две координаты этого одного единичного вектора. На языке двух классических состояний – состояние ноль и состояние единицы – мы здесь имеем координату меньше единицы одну и координату меньше единицы другую, то есть имеем с какой-то амплитудой и то, и другое классическое решение.

Сергей Медведев: То есть, грубо говоря, это не бит, а то, что у вас называется "кубит", то есть не один или ноль, а может быть один, и может быть ноль. Это и есть суперпозиция?

​Валерий Рязанов: Как раз те веса единицы и нуля, которые есть в этом решении, содержатся в этом векторе, их квадрат – это вероятность. Если вы будете мерить классическим измерением, то пронаблюдаете ноль или единицу с вероятностью, которая равна квадрату этой амплитуды.

Сергей Медведев: То есть это уже принципиально другие вычисления, которые оперируют не бинарной, а вероятностной логикой?

Валерий Рязанов: Прежде всего, сам бит другой, и управление этим вектором абсолютно отличается от управления нулями и единицами, которое есть в обычном бинарном цифровом компьютере.

Сергей Медведев: Внутри он сделан из тех же материалов, там такие же полупроводники, просто они иначе соединены?

Валерий Рязанов: Нет. Ясно, что любая цифровая логика содержит не один бит, не один переключатель "ноль-единица", а набор переключателей, которые как-то выстроены, как-то передают эти нули и единицы друг другу, машина считывает и так далее. Здесь тоже происходит ускорение с увеличением числа битов, просто оно линейное. Увеличение числа обычных битов увеличивает возможности логики, возможность совершения логических операций. Существует минимальный необходимый набор логических операций для возможности выполнения любых классических алгоритмов.

В квантовом случае тоже есть, например, однокубитные операции, в которых участвует только один кубит, но для полного набора обязательно нужен один двухкубитный гейт, то есть логический вентиль, и все эти гейты как-то соединяются в квантовом процессоре. Суть квантового ускорения вычислений заключается в том, что если у нас один квантовый бит, то мы одновременно следим за двумя координатами, а если у нас N битов, то мы следим одновременно за два в степени N (то есть 2N) координатами. И наш вектор уже оказывается в многомерном пространстве, которое N-мерно, и там уже этот вектор имеет два в степени N координат и одновременно за всеми ними следит.

Весь вопрос в том, как построить эту штуку из отдельных битов. Отдельный бит на языке атомной физики, квантовой механики – это просто два уровня энергии, основной и первый возбужденный. На самом деле эти уровни соответствуют "чистым состояниям", тому же нулю и единице, можно "сесть" туда или сюда, инициализация так и происходит. Но если вы включите микроволновое возбуждение с частотой, которая равна расстоянию между уровнями, то вы можете "ходить" между этими состояниями и переходить из чистых состояний в состояния, которые являются суперпозицией, однако при классическом считывании вы с какой-то вероятностью окажетесь либо не верхнем, либо на нижнем уровне. Это "хождение" между уровнями на самом деле быстро затухает, что определяет время жизни квантового состояния.

Время жизни квантового состояния – это очень важная характеристика для квантовых вычислений. На самом деле, можно взять отдельный атом: у него, конечно, время жизни состояний будет гораздо больше, чем в тех системах, о которых мы будем говорить.

Сергей Медведев: Квантовое состояние – это какая-то миллисекунда, в которую существует эта вероятность? В следующую миллисекунду она уже будет совершенно другая.

Валерий Рязанов: Совершенно верно. Если представить электроны, летящие в твердом теле, в любом металле, то их время жизни равно времени между соударениями с кристаллической решеткой. Когда они отдают энергию при соударении, один электрон "умирает", а электрон, который "родится" после этого соударения, – уже совсем другой электрон со своими состояниями. Этот новый электрон не будет ничего знать о предыдущем. Если бы этот электрон был нашим объектом, с помощью которого мы делаем квантовые вычисления, то мы должны были бы успеть провести квантовые вычисления, пока он не потерял память о своем состоянии. И вот тут возникает дилемма: с одной стороны, можно, конечно, использовать естественную атомную систему с большим временем жизни, но на нее трудно воздействовать, а нам же еще надо ею управлять... И второе: с одним атомом мы ничего не сделаем, нужно несколько атомов, их надо как-то связать. Это пытаются делать в Новосибирске, например.

Чем выше уровень энергии атома, тем больше, грубо говоря, размер орбиты, поэтому эти высокоэнергетические атомные состояния хоть как-то взаимодействуют. Таким образом, один из существующих подходов – это взять нейтральные атомы и, создавая высокоэнергетические состояния, связывать атомы между собой и как-то управлять этими атомами. Мы, например, идем по другому пути, используем то, что очень напоминает обычную электронику, но, правда, используем не полупроводники, а сверхпроводники.

Сергей Медведев: В любом случае внутри это похоже на обычный компьютер?

Валерий Рязанов: То, что пытаются делать с атомами, с ионами в электромагнитных ловушках и так далее, не очень похоже.

Валерий Рязанов

Сергей Медведев: Я так понимаю, полупроводник основан на обычной бинарной логике: переключатель, ток либо пошел, либо не пошел, а у вас нужно, чтобы квантовый процесс либо пошел, либо нет. Искали, как я понимаю, физические тела, в которых можно реализовать квантовый процесс, ловить фотон, электрон и так далее.

Валерий Рязанов: Сверхпроводник хорош тем, что он позволяет реализовать искусственный атом. Причем у нас это действительно макроскопическая система. Это колечко размером с микрон или даже больше, что для квантовой физики огромный размер, в него еще вставлены туннельные переходы в виде двух пленочек, которые налегают друг на друга, а между ними туннельный оксидный барьер. Вот эти колечки являются нашими искусственными атомами. Там два состояния: это когда ток течет по кольцу либо в одну сторону, либо в другую, и они у нас связаны, то есть одновременно существует и то, и другое.

Сергей Медведев: И в ту, и в другую сторону – как свет: либо он волна, либо частица. Как кот Шредингера, он одновременно и мертв, и жив.

Скажите, какие задачи вам сейчас удалось решить при помощи квантового компьютера?

​Валерий Рязанов: То, что сейчас реально существует, называется не квантовым компьютером, а квантовым симулятором. В чем разница между ними? С чего начинался век электронных вычислительных устройств? Если вы помните, после арифмометра "Феликс", который был механическим вычислительным устройством, появились некие ящички, которые возводили в квадрат, возводили в куб, то есть в них была заложена одна аналоговая операция, вы что-то подавали на входе и единственный ответ, единственную функцию получали на выходе.

Вот что-то такое сейчас фактически уже сделано, и уже продают коммерческие квантовые машины. Скажем, в Канаде есть фирма, которая продала несколько квантовых "аналоговых" машин, и там уже в них масса кубитов: сначала они сделали двести с чем-то кубитов, потом – пятьсот, сейчас – тысячу с чем-то. Важно то, что, по сути дела, там нет управления всеми отдельными кубитами с тем, чтобы запустить тот или другой алгоритм и с их помощью делать что-то разное: у них есть всего один алгоритм. Грубо говоря, алгоритм квантового отжига, реализуемый в этих машинах, можно представить следующим образом: вы взболтали что-то, потом это село в ямки в какой-то ячеистой структуре, и соответствующее оптимальное решение нашлось само собой. В классическом случае это тоже происходит, но в классическом случае, двигаясь к равновесию, вам придется преодолевать все эти бугры между ямками, когда вы будете "устаканивать" всю эту систему. В квантовом случае это все быстрее, и, кроме того, все происходит немножко по-другому с участием туннелирования.

Сергей Медведев: Как я понимаю, квантовый компьютер в чистом виде еще не создан, созданы симуляторы квантового компьютера? Когда он будет создан, он будет настолько совершенен, что отменит обычные компьютеры? Это новая ступень развития человечества?

Валерий Рязанов: То, что это будет новая ступень, несомненно, но он ничего не отменяет. Во-первых, он решает определенный класс задач, во-вторых, это очень дорого, это не персональный компьютер. Поэтому, естественно, простые задачи будут решаться на обычных компьютерах, а те задачи, которые для них непосильны, – на этих больших дорогих машинах.

Сергей Медведев: Мы вспоминаем первый обычный компьютер, который создавали в 40-х: он был размером со спортзал. В Филадельфии во всем городе гас свет, когда включали один компьютер. Прошло каких-то 20 лет, и он попал в каждый дом.

​Валерий Рязанов: Проблема квантовых симуляторов в настоящее время в том, что их невозможно проверить. То, что наделала и продает упомянутая канадская фирма, ученые покупают, но относятся к этому, как к некому черному ящику. В каком-то смысле мы здесь вернулись к тому веку, когда начиналась термодинамика – наука об огромном количестве газовых и так далее молекул: законы для этих систем с огромным количеством степеней свободы не могли быть описаны существующей тогда механикой, эти принципиально новые законы находили эмпирически…

Сергей Медведев: Верифицируемы ли результаты, полученные при помощи квантового компьютера или квантового симулятора?

Валерий Рязанов: Раз обычные машины не могут сосчитать ответ для таких больших квантовых аналоговых систем, то нет. К ним относятся пока, действительно, как к черному ящику, пытаются что-то с их помощью делать, но это надо проверять экспериментально или как-то еще. В движении по магистральному пути создания универсального квантового компьютера, по крайней мере, есть наблюдаемый переход. Уже сделана система из девяти полностью управляемых кубитов, в ближайшие год-два планируется реализация квантового процессора из 50 кубитов, но важно, что здесь все кубиты управляемы, в отличие от аналогового квантового симулятора, где система из многих кубитов как-то "взбалтывается", а потом куда-то релаксирует. Фиксируются ответы, хотя нет уверенности, что это работает так, как предполагается, потому что проверить это невозможно.

При реализации универсального (алгоритмического) компьютера движение пока поступательное: на 9 кубитах, правда, можно решить не так много интересных задач, а, скажем, на 15 уже можно будет решать какие-то важные задачи, и они еще будут поддаваться проверке на обычных компьютерах.

Сергей Медведев: Кубиты, как я понимаю, должны будут еще совмещаться друг с другом и жить какое-то время.

​Валерий Рязанов: Первая задача – каждый из кубитов должен жить долго.

Сергей Медведев: Долго – это сколько в вашей логике?

Валерий Рязанов: Дело в том, что надо успеть совершить операцию, но гораздо больше времени уходит на то, чтобы сделать коррекцию ошибок. Поэтому граница – где-то около ста микросекунд. Сверхпроводящими кубитами, которыми мы занимаемся, легко управлять, они легко связываются друг с другом. Но именно потому, что они легко взаимодействуют, они еще и восприимчивы ко всяким внешним шумам. В первых экспериментах время жизни составляло всего десятки наносекунд, а сейчас это уже десятки микросекунд и выше.

Сергей Медведев: И за это время, что они живут, вы успеваете сделать какое-то вычисление с этими девятью кубитами.

Валерий Рязанов: Вычисление и коррекцию ошибок. Но, к сожалению, еще не мы. Есть такой Джон Мартинес, человек исходно из Санта-Барбары, но сейчас Гугл "закупил" его вместе с его командой, так что теперь он работает на Гугл, который является основным инвестором его проектов, и вот они уже работают с 9 кубитами.

Сергей Медведев: Они заменят обычные компьютеры в своих предельных задачах, в предельных вычислениях? То есть это будущее, через пять-десять лет квантовые компьютеры будут использоваться?

​Валерий Рязанов: Три года назад я бы сказал, что через 30, а сегодня… Есть прогноз, что через пару лет лидирующие группы будут решать задачи, которые уже невозможно решать с помощью обычного компьютера.

Сергей Медведев: Философский вопрос: вообще жизнь, природа, материя развивается по законам квантовой механики? Квантовая механика более адекватна, чем классическая?

Валерий Рязанов: Конечно, на уровне атомов и так далее она квантовая.

Сергей Медведев: Философски говоря, квантовый компьютер неизбежен? Обычный компьютер ограничивает когнитивные способности человека, он в результате рано или поздно исчерпает свои возможности, с обычным компьютером мы уткнемся в стену, каким бы мощным он ни был?

Валерий Рязанов: Мы же, изучая природу, все время лезем вглубь, используем все более глубинные свойства. В этом смысле нам их и нужно понимать, они и более сложные, и имеют квантовую природу. Но когда число атомов и молекул вместе нарастает, от настоящей квантовой методики мы переходим сначала к квазиклассической квантовой механике, где, например, уже не работает соотношение неопределенности. В настоящей квантовой механике, например, нельзя с одинаковой точностью померить координату и импульс. Если число частиц значительно увеличивается, вы уже имеете дело с системами, где с большой точностью определено и то, и другое. На следующем этапе вы переходите к классической механике. Естественно, у Ньютона поначалу не было никаких представлений об атоме, поэтому он изобретал свои законы и не думал об этом. Ни ему, ни человечеству тогда не нужно было туда лезть.

​Сергей Медведев: Квантовые компьютеры и квантовые вычисления нужны нам по мере продвижения вглубь материи? Чем к более мелким частицам мы придвигаемся, тем необходимее нам квантовый компьютер?

Валерий Рязанов: Это с одной стороны. Но и в ряде задач с большими объемами данных он также полезен. Вы правильно упомянули прогнозирование климата, например. Но там, возникают другие сложности, где квантовый компьютер, может быть, и не поможет. Сейчас используют самые большие машины, прогнозируют климат, и очень легко проверить, правильно ли работает программа. Запустил ее назад в прошлое и смотришь: в таком-то году ты получил нужный ответ или нет? Там большую роль играет огромное количество случайных факторов.

Сергей Медведев: А человеческое сознание, интеллект устроен по классическому компьютерному принципу, по классическому или по квантовому вычислению?

Валерий Рязанов: Думаю, здесь многое еще предстоит познать. Самое страшное оскорбление для физика-ученого было – "ты занимаешься зоологией", то есть не изучаешь процессы, не стараешься их описать, а просто набираешь факты и складываешь, сортируешь их в таблицы.

Сергей Медведев: Боже, какой комплекс превосходства физиков! Я, несчастный гуманитарий, историк, социолог, вообще должен раствориться в кресле…

​Валерий Рязанов: Биология в этом смысле сейчас потихонечку переходит от зоологии в настоящие науки, используя, в частности, и физические методы. "Завиральная" идея о квантомеханическом сознании выдвигалась уже несколько раз на разном научном уровне. Мне нравится такой образ. У Борхеса есть "Сад расходящихся тропок"… В любой судьбе (я в своей не раз это наблюдал) ты подходишь к какой-то точке – "точке ветвления" и долго ломаешь голову, пойти направо или налево. Идешь направо, но частично все-таки остаешься на другой ветви…

Сергей Медведев: А что было бы, если бы ты пошел налево?

Валерий Рязанов: Просто иногда ты с какой-то вероятностью переключаешься с ветви на ветвь, что-то делаешь и возвращаешься. Потом про эту другую ветвь как-то забываешь, когда эти два пути далеко расходятся, но некоторое время ты живешь "размазанно", у тебя есть суперпозиция твоей жизни между двумя состояниями.

Сергей Медведев: А суперпозиция – это ситуация одновременного выбора нескольких тропок?

Валерий Рязанов: Одновременное нахождение на нескольких тропках.

Сергей Медведев: Постройка квантового компьютера позволит нам ближе подойти к искусственному интеллекту, о котором сейчас главный разговор? Нейросети…

Валерий Рязанов: Каждый нащупывает свои принципы работы интеллекта. Важная вещь тут – ассоциативная память, то есть вспоминание образа. В каком-то смысле это тоже взбалтывание и осаждение в ямки: если у вас есть какой-то определенный рисунок ямок в памяти, то вы скатитесь к нему, то есть вспомните, на что похож новый образ. Или у вас есть несколько рисунков: ямки поглубже, ямки помельче, и, если прищуриться, то вы из одних ямок сделаете один рисунок, а из других – другой. А когда вы все это взболтаете, вы попадаете либо туда, либо сюда. Даже не взболтаете, а наложите новый образ; он не совсем точно совпадет, но вы "вспомните" то или другое, в зависимости от того, скатитесь вы сюда или туда, поскольку он более напоминает то или это.

Сергей Медведев: Получается, что это такие квантовые состояния сознания.

​Валерий Рязанов: И вполне классические могут быть. Но в квантовом случае переход, выбор между этими образами гораздо быстрее… У нас же есть куча вещей, которые нас самих удивляют: почему мы это вспомнили, что такое интуиция? Есть хорошее определение – помесь опыта и нахальства.

Сергей Медведев: Интуиция – это некие такие срезки сознания, когда мы получаем вывод не путем логических вычислений.

Как я понимаю, действительно где-то недалеко лежит квантовая механика, квантовые вычисления, квантовый компьютер.