Квантовый скачок

Китайские ученые сделали новую квантовую машину - сверхбыструю, «первую в своем роде» - и во много раз превосходящую обычные компьютеры, сообщают СМИ. Прокомментировать событие мы попросили Антона КОЗУБОВА, руководителя направления квантовых вычислений лаборатории квантовой информатики. Эта лаборатория работает в подразделении Университета ИТМО - Международном институте фотоники и оптоинформатики. Говорят, такую заумную тему понятнее Козубова вряд ли кто растолкует.

Иллюстрация xtock/shutterstock.com

- Напомните, пожалуйста, чем квантовый компьютер лучше обычного?

- Многие думают, что квантовый компьютер - просто очередной шаг в развитии привычного нам ПК. Это не совсем так, поскольку в основе его работы лежат совершенно другие принципы.

В привычном нам компьютере единицей информации является бит, который может принимать лишь два значения: ноль или единица. В физическом смысле - «есть сигнал» или «нет сигнала». Двоичный код используется повсеместно - в мобильных телефонах, компьютерах и большинстве окружающей нас техники. Эти данные преобразуются в текст, картинку или видео.

Основная проблема в том, что современные компьютеры достигли пределов развития: транзисторы уже настолько малы, что дальше уменьшать их бессмысленно, поскольку наступают нежелательные эффекты. А это значит, что, только изменив подход, мы сможем добиться качественно нового уровня.

В квантовом компьютере используются не классические биты, а квантовые, или, по-другому, кубиты. Они находятся в так называемом суперпозиционном состоянии, то есть с определенной вероятностью принимают любое значение от нуля до единицы. Это значит, что действия могут проводиться со всеми их состояниями одновременно, а какое-то конкретное значение мы получаем только после измерения. Например, надо найти выход из лабиринта: для решения этой задачи обычному компьютеру придется перебрать все варианты поочередно, тогда как квантовый проходит сразу все пути, что существенно ускоряет время поиска.

Другой пример - факторизация чисел, то есть разложение на ряд простых сомножителей числа длиной порой в сотни цифр. Тут отлично подойдет аналогия с овощами и салатом: порезать овощи для салата не проблема, однако собрать из салата вновь целые овощи - задача не из легких, хотя, если потратить много времени, это можно сделать. Так и с числами: перемножить несколько простых чисел-«овощей» и получить большое число, «салат» - просто, а вот обратно собрать из большого числа-«салата» «овощи» (разложить его на простые сомножители) - очень нетривиальная задача.

- ...и квантовый компьютер с ней справляется быстрее. А вообще достижение китайских ученых - в чем оно заключается?

- Специалисты из китайского научно-технологического университета (Шанхай), Университета Вюрцбурга и Сент-Эндрюсского университета представили новую, более усовершенствованную, версию квантового вычислителя - бозонного сэмплера (хотя есть и другие варианты).

Основной его принцип таков: фотоны (шарики), проходя через определенную схему (ее можно представить в виде наклонной доски с различного рода преградами, в нижней части которой находятся ячейки), попадают (ударяясь об эти самые преграды) в различные ячейки - образуя таким образом распределение случайной величины.

Достижение китайских ученых в том, что это рекордная, реально действующая установка, которая превосходит все подобные в мире. Довольно много групп трудится в данном направлении, однако такого результата не достиг никто. В частности, китайцы разработали уникальное устройство - источник одиночных фотонов с рекордными показателями. Такому источнику позавидует любая лаборатория!

Китайские ученые продемонстрировали, что определенный ряд задач (тот же расчет распределения случайной величины) может быть выполнен на таком вычислителе быстрее, чем на первом («не квантовом». - Ред.) компьютере.

- Где такие компьютеры пригодятся?

- Например, при расчете колебательных спектров молекул: это необходимо для анализа материалов. Но не стоит думать, что моделирование подобного рода годится исключительно для научных целей. Оно может быть чрезвычайно полезно в абсолютно любой сфере, где используются случайные величины. А это, поверьте мне, почти все сферы нашей жизни: финансы, игры, математика, медицина и т. д.

За последние годы в мире произошел очень существенный скачок в развитии квантовых вычислений, на рынке появились первые коммерческие образцы.

На мой взгляд, есть два наиболее перспективных направления развития квантовых компьютеров. Во-первых, технологии, использующие бозонный сэмплинг, во-вторых, квантовые вычисления на сверхпроводниковых кубитах. В России бозонным сэмплингом занимается наша группа в лаборатории квантовой информатики, а квантовыми вычислениями на сверхпроводниковых кубитах - группа Устинова в МИССиС.

Наибольшее число результатов достигнуто как раз в этих областях - так что, скорее всего, именно в них и стоит ждать прорыва.

МЕЖДУ ТЕМ

Чтобы вы почувствовали разницу: с набором уравнений, который один мощный суперкомпьютер решал бы сто лет, квантовый справится за 0,01 секунды. Сейчас единственным производителем квантовых коммерческих компьютеров считается канадская компания D-Wave, разработкой квантовых компьютеров также занимаются NASA, Google, Microsoft и IBM. И если IBM создает 50-кубитный коммерческий квантовый компьютер, то китайцы намерены представить компьютер с 30 кубитами в 2020 году, а к 2030 году собираются показать прототип квантового компьютера на 50 - 100 кубитов.

«Промежуточное» достижение китайцев грядет примерно в 2025-м: это будет «квантовая» разработка, которая должна сравниться по скорости со всеми современными суперкомпьютерами. Напомним, самые мощные суперкомпьютеры находятся тоже в Китае: Sunway TaihuLight в Национальном центре в Уси и Tianhe-2 - в центре в Гуаньчжоу, а в ближайшее время китайцы планируют представить еще более сильный суперкомпьютер Tianhe-3.

В 2016 году Китай запустил первый в мире спутник квантовой связи и представил военный квантовый радар, а в этом уже построил первую коммерческую квантовую коммуникационную линию.