Квантовый компьютер как зеркало развития прикладной науки

Продолжая изучать состояние современной физики, невозможно обойти тему, которая вот уже 30 лет находится на волне хайпа — квантовые компьютеры. Их появление сулит не только грандиозные открытия в фундаментальной науке, но и повсеместное улучшение качества жизни обычных людей.

Разговоры о будущем этой технологии вышли за рамки научно-популярных видео и перешли на федеральные каналы. Кажется, что до создания квантового компьютера осталось совсем немного времени, но так ли это на самом деле?

В этой заметке мы опишем концепцию, лежащую в основе этого загадочного устройства, выделим несколько ключевых проблем, которые учёным только предстоит решить на пути к созданию квантового компьютеров, и определим, какую роль в развитии этой технологии играют корпорации.

Мысли о создании универсальной квантовой системы, пригодной для моделирования поведения других квантовых систем, появились в головах учёных ещё в 80-ых годах прошлого века, когда даже привычные нам «классические» компьютеры не были так сильно развиты. Такие мысли высказывались как советскими деятелями науки, например, Юрием Маниным в книге «Вычислимое и невычислимое» 1980 г., так и ведущими западными. Один из выдающихся физиков XX-го века, Ричард Фейнман, в 1982 г. поставил эту проблему в докладе, посвящённом моделированию физических процессов. В нём же Фейнман предложил использовать такую систему не только как симулятор, но и как компьютер в привычном смысле, то есть как программируемую систему, пригодную для исполнения алгоритмов. Основным преимуществом такого устройства является то, что его вычислительное пространство экспоненциально быстро растёт с увеличением количества элементарных ячеек — квантовых битов, или кубитов. Так состояние системы из N кубитов описывается 2ⁿ комплексными числами. Для N = 500 это больше, чем оцениваемое количество атомов во вселенной. Ни на каком существующем и мыслимом классическом компьютере невозможно даже сохранить все эти комплексные числа. Такое колоссальное преимущество квантовых компьютеров над классическими закономерно привело человечество к попыткам реализовать теорию на практике.

Первые подвижки в построении квантовых компьютеров начались после того, как в 1994 г. Питер Шор смог создать алгоритм, позволяющий раскладывать число на простые множители за время, сравнимое с длительностью операции перемножения данных чисел. Криптографическая стойкость большинства алгоритмов шифрования, существовавших на тот момент, обеспечивалась экспоненциальной сложностью задачи нахождения простых делителей числа для классических компьютеров. Возможность быстрого разложения на множители позволила бы вычислять чужие секретные ключи без серьёзных временных затрат, то есть буквально сделала бы подобные шифры бесполезными.

Так квантовый компьютер впервые получил задачу, в которой он мог бы продемонстрировать своё «квантовое превосходство». С этого момента за создание такого устройства взялись как крупные частные компании, например, IBM, так и многие исследовательские лаборатории по всему миру. В настоящий момент подобные проекты имеют также такие гиганты, как Google и Honeywell. Каждый год создаются новые стартапы, предлагающие свои решения.

В дальнейшем мировое сообщество придумало широкий спектр задач, благодаря решению которых квантовые технологии потенциально могли бы улучшить всем нам жизнь. Интернет наводнился научно-популярными материалами, рассказывающими, как с помощью кубитов будут создавать персонализированные лекарства для каждого пациента, как каждому в дом проведут квантовый интернет, реализованный с помощью квантовой запутанности, и как квантовая криптография защитит вашу историю поиска в квантовом браузере.

Как же обстоят дела на самом деле спустя тридцать лет после старта эры квантовых вычислений?

На данный момент в научном сообществе не существует ответа даже на базовый вопрос: «А на какой физической платформе в будущем будет реализован полноценный квантовый компьютер?» Сейчас существует как минимум три конкурирующие платформы для реализации кубитов: на ионах, на нейтральных атомах и на сверхпроводниковых искусственных атомах. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, на каждой был создан свой прототип процессора, однако экспериментально продемонстрировать «квантовое превосходство» так и не удалось («демонстрацию» от Google на искусственной задаче, которую на самом деле классический компьютер может выполнить не за обещанные 10 000 лет, а за 2 дня, мы в расчёт не берем).

Вторым важным вопросом является масштабируемость квантовых процессоров, то есть увеличение количества кубитов, необходимое для решения всё более сложных задач. Эта проблема является по большей части технологической и инженерной. Для реализации преимуществ квантовых компьютеров необходимо иметь не только высокую степень интеграции, то есть большое количество кубитов в одном процессоре, но и возможность эффективно «управлять» состоянием каждого кубита отдельно. Например, для сверхпроводников это означает, что к каждому кубиту на чипе должен быть подключён свой «провод». В реальности же — не один, ведь необходимо обеспечить ещё и взаимодействие кубитов между собой. Эти «провода», или копланарные волноводы, занимают место на чипе, а значит, много кубитов = большой чип. Современные литографы имеют ограниченную рабочую область, то есть предельный размер чипа, который они могут «напечатать». Это означает, что имеется предел интеграции, для преодоления которого необходимо развивать технологию изготовления и методы проектирования таких чипов. И подобные технические проблемы есть у каждой платформы.

И вот здесь-то и начинает особо остро чувствоваться зависимость науки от развития средств производства. Так, компании лишь из нескольких наиболее развитых в технологическом плане стран могут позволить себе производить передовые оптические и электронные литографы. Причём производство этих устройств широко интернационально: к примеру, для литографа от голландской ASML оптику производят в Германии и Японии, электронику и ПО в США, а необходимые инертные газы поставляют из Катара и России.

Концептуальной проблемой, стоящей перед учёными, является то, что мы до сих пор не знаем, в каком классе алгоритмических задач будет проявляться то желаемое «квантовое превосходство». На данный момент наряду с вышеназванным алгоритмом Шора существует лишь несколько алгоритмов, имеющих практическую применимость. Общее место квантового компьютера в будущем всё ещё не найдено, хотя уже сейчас можно однозначно сказать, что классические суперкомпьютерные кластеры полностью вытеснены им не будут. И этот вопрос о применении квантовых компьютеров только обостряется. В мире уже появилось достаточное количество работающих процессоров с десятками кубитов, но для них не найдены практические задачи, которые они могли бы решать. Google даже объявил конкурс на поиск полезного применения для существующих квантовых компьютеров, но пока они остаются «игрушками» для учёных и галочками на бумаге при заполнении отчётов. Стоит отметить, что речь идёт именно об универсальном процессоре, пригодном для общих вычислений. В направлении, развивающемся параллельно алгоритмическому — в симуляции других физических систем с помощью квантового компьютера — есть определенные продвижения, однако основной проблемой остается малая степень интеграции, о которой говорили выше. Количество кубитов и возможности управления ими оказываются недостаточными, например, для решения задач квантовой химии, которые помогут при разработке новых лекарств.

Отдельно стоит затронуть организацию научных поисков вокруг квантовых компьютеров. Как было сказано, на Западе за этот вопрос серьёзно взялись корпорации-гиганты. Перетягивая в свои исследовательские группы учёных со всего мира, обладая широкой производственной базой и необходимыми финансовыми ресурсами, эти компании могут позволить себе проводить эксперименты, которые на данном этапе недоступны ни для какой другой исследовательской группы. Хотя они и публикуют периодически свои достижения в научных изданиях, понятно, что все основные наработки остаются внутри этих компаний. Так, к 2025 году IBM планирует продемонстрировать 1000-кубитный процессор, улучшив свой прошлый результат (433 кубита) более чем в два раза. Опыт проектирования, изготовления и управления системами с таким высоким уровнем интеграции является по-настоящему уникальным, но остается за закрытыми дверьми.

У независимых от крупных компаний научных групп нет никакой возможности перенять или проанализировать эти знания. Каждой из них приходится заново преодолевать трудности, решения для которых уже были получены, но не стали общедоступной частью научной мысли человечества. С другой стороны, в таких группах тоже появляются свежие идеи, а результатами их работы компании обязательно пользуются, а значит — научные институты, финансируемые государствами на налоги большинства населения, оказываются безвозмездными «соучастниками» разработок этих корпораций.

Таким образом, часть ресурсов общества затрачивается не вполне эффективно: результаты этих вложений могут быть применены лишь небольшим числом частных компаний, а самая передовая часть технологии, развиваемая ими, не выносится на публичное обсуждение. Это ведёт к замедлению развития не только квантовых технологий, но и всего научного прогресса, так как квантовый компьютер — это устройство, которое, несомненно, способно дать мощный толчок для дальнейшего углубления знаний людей об окружающем мире.

При этом не стоит забывать, что если подобное устройство всё-таки будет создано в лоне какой-нибудь частной компании, то всё «квантовое превосходство» будет использовано в целях бизнеса. Во-первых, фирма будет стремиться возместить средства, вложенные в создание квантового компьютера. Во-вторых, она использует возможности нового устройства для получения прибыли, способов извлечения которой можно придумать чуть ли не больше, чем действительно полезных для большинства людей применений квантового компьютера. В-третьих, часть полученных средств корпорация-«победительница» будет тратить на поддержание своего монопольного положения на рынке. Последнее означает, что она будет стремиться не допустить распространения «тайных» знаний среди сообщества учёных, не связанных с этой компанией, что, в свою очередь, будет напрямую тормозить дальнейший научно-технический прогресс.

Скажем также несколько слов о России. Финансированием такого ресурсоёмкого научного проекта занято государство: корпорация «Росатом» в качестве координатора реализует дорожную карту высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Целями этого проекта заявлены разработка «железа» и ПО для будущего квантового процессора на всех лидирующих платформах. В рамках него организована работа многих научных групп, которые конкурируют за финансирование в своих областях. Однако важной особенностью квантовых технологий в российских реалиях является отсутствие производства оборудования, необходимого для столь сложных экспериментов. В этой области российская наука полностью зависит от импортных устройств. Так, сердцем экспериментов со сверхпроводниковыми кубитами является криостат растворения, в котором чипы охлаждаются до температур порядка 10 мК, необходимых для эффективного функционирования таких систем. Уже начиная с 2014-го года, качественный криостат (например, финского производства) было трудно приобрести, а после известных событий это стало и совсем невыполнимой задачей. Находящиеся же на стадии стартапов китайские аналоги, пользуясь своим положением, задирают цену — а речь идёт о суммах, приближающихся к миллиону долларов. С устройствами для изготовления таких чипов дело обстоит не легче. С уверенностью можно сказать, что при нынешнем уровне производительных сил в нашей стране прикладное использование наработок квантовых процессоров маловероятно. По сравнению со многими областями науки, квантовые технологии получают большое финансирование, но применяются только те разработки, которые можно встроить в уже существующие производственные процессы. Например, алгоритмы постквантовой криптографии, требующие по сути лишь изменения строчек кода, уже используются в российских банках. Однако исследования в области «железа» для квантовых компьютеров остаются наукой ради науки.

На данном примере хорошо видно, как сильно тормозится современным капиталистическим устройством общества развитие передовой технологии. Причём речь идет об устройстве, в перспективе способном улучшить жизнь многих людей. Вместо требуемого мирового объединения сил учёных и производственно-технических баз мы получаем неэффективное расходование ресурсов всего общества, одностороннее использование достижений учёных частными компаниями и сокрытие их собственных наработок, что выливается в замедление развития науки в целом. Совершенно ясно, что такая проблема носит системный характер и прослеживается везде, где новейшие научные знания начинают находить прикладное применение. Изменение такого положения дел — в интересах каждого из нас.

Владимир Воскресенский