Редакция ПостНауки побеседовала с физиком Алексеем Акимовым о том, какое будущее ждет вычислительные технологии, в чем преимущества квантового компьютера перед классическим и как квантовое моделирование используется для синтеза новых материалов.
О преимуществах квантовых вычислений
— Часто доводится слышать, что производительность компьютеров скоро дойдет до предела. С чем это связано?
— Развитие вычислительных систем всегда шло по линии наращивания производительности. Количество операций, которые компьютеры выполняют за секунду, постоянно росло. Для этого разработчики искали новые технологические решения, которые позволяют увеличить количество производительных элементов. Они уменьшали размер транзисторов, чтобы в один чип их удавалось уместить как можно больше, совершенствовали архитектуру процессоров, сделали их многоядерными и многослойными. Производительность компьютеров продолжит расти в ближайшем будущем, но разработчики понимают, что у этого процесса есть технологические ограничения. Бесконечно увеличивать количество производительных элементов невозможно.
Кроме того, электроника сталкивается с ограничениями, вызванными недостаточной эффективностью вычислительных алгоритмов. Современные компьютеры быстро выполняют операции с умножением чисел, но плохо справляются с задачами, требующими перебора вариантов, например разложения чисел на множители. При этом потребность в решении таких задач очень высока: любые действия, направленные на оптимизацию, так или иначе связаны с перебором. С такими задачами хорошо справляются квантовые вычисления. Оптимальным вариантом будет интеграция в классический компьютер квантового сопроцессора, ответственного за решение задач по перебору. Квантовый компьютер не превосходит обычный компьютер в решении задач на умножение, но сложные операции по перебору вариантов он выполняет быстрее. Он не станет полной заменой компьютеру, но поможет решать полезный класс задач, которые нам пока недоступны.
— Как выглядят квантовые компьютеры?
— По размеру они напоминают первые электронно-вычислительные машины, которые занимали целые комнаты. Модуль квантового компьютера должен сохранять низкую температуру, поэтому для его работы требуется криостат растворения — цилиндрическое устройство, которое охлаждает среду за счет гелия. К криостату приставлены машины, сохраняющие низкую температуру гелия в нем. В соседней комнате размещают еще несколько охлаждающих аппаратов — компрессоров. Внутри такой массивной вычислительной системы находится от 1 до 3 тысяч кубитов на основе сверхпроводников.
— То есть пока не стоит ожидать, что квантовый компьютер появится в каждом доме?
— Пока они используются в крупных вычислительных центрах как компьютеры, которые помогают большим машинам выполнять расчеты. На нашем веку в свободной продаже они не появятся. Скорее всего, в этом даже не возникнет необходимости, ведь вычислительная мощность сейчас уходит из персонального компьютера в центры, которые производят облачные вычисления. Возможно, вычислительная нагрузка полностью перейдет в облако. А может, наоборот, через 100 лет в каждом компьютере будет квантовый чип. Сложно сказать.
О принципах работы квантового компьютера
— Как работают квантовые вычислители?
— Основа квантового компьютера — это кубит, то есть квантовый разряд и наименьший элемент хранения информации. В основном в компьютерах используются оптические и твердотельные кубиты, то есть фотоны и электроны. Инженеры помещают их на печатную плату квантового компьютера, и они взаимодействуют с тем, что их окружает. С точки зрения передачи информации у фотонов есть важное преимущество: они слабо вступают во взаимодействие, а значит, долго сохраняют свое состояние и доносят его по волокну на дальние расстояния. Электроны для передачи информации не годятся: из-за своего заряда они сталкиваются с ионами металла, вступают с ними во взаимодействие и утрачивают свое состояние. С другой стороны, электроны хороши для хранения данных — создания локальных кубитов — ячеек памяти, основанных на суперпозиционных состояниях атома. Помимо фотонов и электронов, в качестве кубитов используются сверхпроводники. Они состоят из электронов, но в силу своей сверхпроводимости слабо вступают во взаимодействие с другими частицами. Недостаток сверхпроводящих кубитов в том, что они не обеспечивают долговременное хранение информации, необходимое для работы любого компьютера. С другой стороны, из них можно делать сложные цепи с помощью электрического тока, ведь сверхпроводящий ток с ионами решетки не взаимодействует.
Оптимальная схема работы — это комбинация кубитов, использование их свойств для разных операций. Оптические кубиты используются для переноса информации, а твердотельные — для хранения памяти и переключения оптических.
— Что такое суперпозиция? Как она используется в квантовых вычислениях?
— Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться в любом возможном для нее состоянии, а не только в тех, которые мы умеем измерять. В обычных компьютерах используется двоичная система: информация хранится в битах, которые обозначают отсутствие или наличие напряжения — 0 или 1. Атом кубита в суперпозиции находится где-то посередине между ними. Детекторы и приборы, которые у нас есть, измеряют только дискретные состояния, то есть определяют конкретные значения: или 0, или 1. При измерении кубита в суперпозиции стандартные приборы будут случайно присваивать ему одно из этих значений, поэтому суперпозицию мы связываем с вероятностью. С точки зрения нашего измерительного прибора получается, что квантовая частица находится в двух состояниях одновременно.
— Как можно программировать суперпозицию кубита, если она связана с вероятностью?
— Важно понимать, что суперпозиция — это не состояние неопределенности, а промежуточное состояние между двумя значениями. Объясню на примере: передо мной лежит карточка, и, допустим, ее горизонтальное положение означает состояние 0, а вертикальное — состояние 1. Тогда, чтобы запрограммировать состояние 0+1, я поверну ее на 45 градусов. Она будет в одинаковой близости и к 0, и к 1. Вращая карточку, я могу перебрать все состояния между ними. Их можно представить как векторы линейной алгебры. Если у нас есть только дискретные значения, нули и единицы, мы складываем только единицы. Суперпозиции мы можем складывать по-разному, как направления векторов. Это расширяет наши возможности для манипуляций с числами.
Любой квантовый алгоритм начинается с того, что мы приводим все кубиты в исходное состояние, например в 0. В нашем примере это значит, что все карточки должны сначала быть повернуты горизонтально. Далее мы изменяем состояние некоторых кубитов так, чтобы они образовывали суперпозицию, то есть начинаем поворачивать карточки. После этого в ход идут квантовые ключи, с помощью которых выполняется сложение, вычитание, умножение или другие операции. Как векторы, суперпозиции можно складывать, при этом заметно выходя за операции, возможные только для нулей и единиц. Если представить себе сферу радиусом ½, одним из полюсов которой является 0, другим — 1, то суперпозиции будут гулять по ней, вместо того чтобы быть только в нуле или единице. Образуется как бы новое измерение для вычислений, и это для каждого кубита. В этих измерениях, созданных кубитами, и будет происходить перебор вариантов. Происходит эволюция системы: с помощью наших операций и в зависимости от состояний друг друга суперпозиции будут выстраиваться в одном измерении, уходя из сфер в пространство нулей и единиц. Это очень важно, так как, чтобы считать результат операций, его нужно перевести в двоичную систему. За один цикл вычислений все суперпозиции необязательно выстроятся вдоль полюсов сферы, делая результат считывания неоднозначным, но, если проделать вычисления много раз, система сама отбросит ненужные решения. В результате получился ответ, который считается как набор классических битов.
О квантовом моделировании и сферах его применения
— В каких областях применяются квантовые вычисления?
— Для решения уравнений квантовой механики, а также в области квантовой криптографии. Квантовые вычисления очень эффективны для расчета химических структур — синтеза молекул и новых материалов. Для этого разрабатывается квантовый симулятор — модель интересующего ученых материала, созданная за счет квантово-механических частиц и повторяющая его структуру. Частицы ведут себя по законам квантовой механики, но мы можем контролировать взаимодействия между ними и менять их взаимное расположение. Мы работаем с этими параметрами, наблюдаем за реакциями, возникающими в ответ на преобразования модели, делаем выводы о свойствах тех или иных материалов и учимся задавать их на уровне атомной структуры. Это похоже на процесс разработки самолетов. Инженеры делают макет новой модели, помещают его в аэродинамическую трубу и убеждаются, что самолет летает. Далее они экспериментируют с его техническими параметрами — размером крыльев, конфигурацией хвоста — и после каждого преобразования вновь испытывают макет в аэротрубе. В итоге они находят оптимальную конфигурацию для летательного аппарата.
Кроме того, квантовое моделирование позволяет наблюдать за материалами в замедленном режиме. В реальном времени некоторые типичные для материалов процессы почти невозможно отследить, они протекают в течение пикосекунды (10-12 секунды). Замедлив их до одной секунды в квантовом симуляторе, мы можем детально увидеть, как именно они протекают.
Метод квантового моделирования поможет нам разобраться, как работает высокотемпературная сверхпроводимость, и научиться делать ее при комнатной температуре. С этой задачей связано множество перспектив: от уменьшения потери в линиях связи до создания чувствительных магнитометров. Один из способов его практического применения — изобретение поездов, летающих над рельсами. При температурах ниже 150 К магнит начинает левитировать над поверхностью сверхпроводника — это опыт, известный как «Гроб Магомета». Он иллюстрирует эффект Мейснера: если проводник переходит в сверхпроводящее состояние, магнитное поле вытесняется из его объема. С помощью квантового моделирования можно понять, как повторить этот эффект при нормальном температурном режиме, и использовать его для транспортных разработок.
— Что представляют собой квантовые симуляторы?
— Квантовые симуляторы часто создаются как система холодных атомов в решетках. Если пересечь два пучка света, мы увидим максимумы и минимумы интерференционной картинки — полосатую решетку. В пучки света, за счет которых они образуются, помещаются атомы за счет принципа оптического пинцета. Согласно ему, если сфокусировать свет, частица в него затянется.
Другая система квантового моделирования — экситоны в проводниках. Проводник поглощает фотон света — происходит возмущение в твердом теле, в результате которого в нем образуется дырка и возбужденный электрон. В нормальном состоянии это возмущение называется «экситон». Если к нему примешивается фотон — «поляритон». Из экситонов и поляритонов получается бозе-эйнштейновская конденсация. При бозе-эйнштейновской конденсации все частицы находятся в одном и том же состоянии и имеют большие волновые свойства. Она часто является начальным состоянием для любых квантовых симуляторов.
— Насколько квантовое моделирование похоже на работу квантового компьютера?
— Как и в компьютере, при квантовом моделировании мы задаем начальное состояние, а потом даем системе эволюционировать. Разница в том, что в симуляторе мы не используем квантовые ключи, то есть выполняем последовательность операций над кубитами. В симуляторе атомы используются не как кубиты, а как ансамбль частиц, вступающих в квантовое взаимодействие. В моделировании мы задаем интересующее нас воздействие, и система сама решает уравнения квантовой механики, которые с ним связаны. Мы никак на это не влияем, только оцениваем результат. Если он неудовлетворительный — задаем другое воздействие.
Из-за необходимости создавать квантовые ключи и прорабатывать сложную архитектуру квантовые компьютеры немного отстают по развитию от симуляторов, которые создавать гораздо проще. Квантовый симулятор уже решает более сложные уравнения, чем классический компьютер. Ведь суть квантового моделирования заключается в решении уравнения Шрёдингера для конкретного материала: он описывает изменение состояния в пространстве и времени с помощью квантовых эффектов. Хотя более сложные уравнения такого типа — например, расчеты для высокотемпературных сверхпроводников — симулятору пока не под силу. Прогресс в этой области идет быстро. Однако сложно предсказать, когда именно симуляторы научатся справляться с такими уравнениями.
— Как квантовые технологии развиваются в России?
— В этой области российская электроника отстает от мировой. У нас не так много научных групп, которые занимаются квантовыми разработками, хотя среди них есть и те, которые показывают результаты в международной науке. Общий уровень при этом остается невысоким, но ситуация может измениться в ближайшее время. Проекты по развитию квантовых технологий сейчас получают финансовую поддержку и начинают продвигаться. Будем надеяться, что скоро мы увидим первые результаты.
