- Что представляют собой квантовые технологии?
Речь идет об управлении свойствами микроскопических квантовых объектов для достижения той или иной задачи. Квантовые технологии — это направление, которое приобрело окончательные черты в последние 10–15 лет. Их развитие принято делить на две волны. Первая стартовала в начале XX века, после возникновения квантовой физики и механики. Тогда ученые пытались решить, казалось бы, частные проблемы классической физики, но способ, который они выбрали в качестве решения всех проблем, потребовал введения концепции кванта. Описывая тепловое излучение, немецкий физик Макс Планк допустил, что испускающие лучи атомы отдают энергию не сплошным потоком, а маленькими неделимыми порциями. Ученый назвал их «квантами энергии». И эта гипотеза имела далеко идущие последствия: фактически изменилось понимание всей картины мира, поменялся облик современной науки. Яркие квантовые технологии первой волны — это лазеры и транзисторы.
Вторая волна оформилась за последние десять лет. Ее суть — в переходе к управлению отдельными квантовым системами: фотонами, электронами, атомами. Если взять чуть более сложную квантовую систему — скажем, молекулу, — то мы можем управлять параметрами, которые нас интересуют. И оказалось, что такой беспрецедентно новый уровень контроля открывает широкие возможности. Например, можно построить компьютер, способный решать задачи, недоступные для самых мощных современных компьютеров на полупроводниковой архитектуре. В целом ко второй волне относят квантовые вычисления, квантовую сенсорику и квантовые коммуникации.
- Чем вызван такой интерес?
Сегодня все серьезные индустрии сталкиваются со сложными вычислительными задачами по оптимизации в сфере логистики, финансов, инвестиций, нефте- и газодобычи, защиты данных и многих других отраслях. Решив их, квантовый компьютер может дать бизнесу определенное превосходство. Огромное количество задач есть и в стратегически важных областях, например, в атомной отрасли. Не случайно «Росатом» подписал с Правительством России соглашение о развитии квантовых вычислений в стране. Поэтому в первую очередь следует говорить об экономическом преимуществе, которое получит страна, создавшая квантовый компьютер.
- Сегодня идет международная гонка по созданию квантовых компьютеров. Какое место занимают в ней ваши исследования?
Это сложный вопрос. Лидерами направления являются США и Китай. Дело в том, что крупные программы поддержки стартовали в этих странах значительно раньше. Например, еще в 2008 году Китай запустил программу «Тысяча талантов» для привлечения ученых. В России этот процесс тоже идет, но не столь масштабно. Например, я работаю в Российском квантовом центре — частном институте на площадке «Сколково». Он создан во многом благодаря тому, что отечественные ученые, работающие в зарубежных институтах, захотели создать научные группы в нашей стране. Пока у нас речь идет о десятках научных коллективов, а не о сотнях и тысячах. На новый уровень развитие квантовых вычислений вышло в 2020 году, когда начались работы по «дорожной карте»*.
Сравнивать можно и абсолютные значения, например, количество кубитов, которым характеризуются квантовые компьютеры. Хотя это не совсем корректный, но все же один из главных ориентиров. Наиболее мощный квантовый компьютер России — 16-кубитный, а в мире это компьютеры из 30, 40, 50 и 100 кубитов. Отставание имеется, но есть и очень хорошая динамика.
.jpg)
Источник: Издательство Origami Books
В отдельных направлениях мы первыми в мире получаем результаты и на нас ориентируются зарубежные коллеги. При поддержке РНФ мой коллега Евгений Киктенко исследует кудиты — многоуровневые системы. В отличие от кубитов, они способны одновременно находиться в более чем двух состояниях.
Еще один грант РНФ посвящен квантовым алгоритмам — способам решать полезные задачи с помощью квантовых компьютеров. Здесь также найдены конкурентоспособные решения. Например, мы первыми ускорили сборку генома — одну из самых трудозатратных и долгих частей расшифровки ДНК. Еще мы придумали архитектуру на основе квантового машинного обучения для генерации молекул с заданными лекарственными свойствами. То есть точечно мы предлагаем новые решения, но для того чтобы полноценно конкурировать с лидерами, нужна неустанная работа и постоянная поддержка. «Дорожная карта» пролонгирована до 2030 года. Это серьезный горизонт, на который можно планировать дальнейшее развитие и сокращение отставания.
- Это отставание критическое?
Нет, оно не выглядит критическим. В отдельных направлениях есть план по его преодолению, с другими областями чуть сложнее ввиду большей зависимости от оборудования. Главное, что мы не отстаем идейно. Наше очень серьезное конкурентное преимущество — это люди. В группе есть сильные студенты, активные аспиранты. Мы видим самоотдачу, высокую мотивацию и блестящие знания. Это то внутреннее топливо, за счет которого мы можем двигаться и сокращать отставание, предлагая оригинальные решения.
- Сколько человек в России занимается созданием квантового компьютера?
Коллеги как-то подсчитали, что в квантовый проект в стране вовлечено около тысячи человек. Это ученые Российского квантового центра, а также сотрудники институтов-исполнителей в рамках «дорожной карты».
- Главный вызов, стоящий перед этой тысячей, — поиск полезных приложений для квантового компьютера и квантовых алгоритмов. Что сделано в этом направлении?
Самый важный рубеж, которого сейчас все ждут, — внедрение квантовых вычислений в решение прикладных экономических задач. Результат, который получат научное сообщество и «Росатом», станет достоянием всей страны: квантовым компьютером при помощи специальной платформы смогут пользоваться представители академической среды и бизнеса. Причем для решения своих вопросов компаниям достаточно будет купить удаленный доступ к компьютеру.
- Уже есть понимание, когда удастся перешагнуть этот рубеж?
Думаю, что первые примеры решения насущных экономических задач мы увидим через три-четыре года. Масштабное же внедрение квантовых вычислений, которые бизнес адаптирует под свои цели, можно ждать через 7–10 лет. Но это не значит, что сейчас ничего не происходит, а мы сидим и ждем появления квантового компьютера. Сегодня ученые создают алгоритмы, которые будут запускаться на машинах будущих поколений. Мы активно работаем над тем, чтобы понимать, какие именно задачи будут востребованы и какую пользу они принесут.
Первый в России прототип квантового компьютера. Источник: пресс-служба МИСИС
- Про какие направления идет речь?
Глобально можно выделить четыре сферы. Первая — оптимизация. Это класс задач, где есть много возможных вариантов решения, а вам следует выбрать оптимальный. Например, вам нужно встретиться с большим количеством людей в строго определенное время. Да, для одного человека нетрудно составить наилучшее расписание, а теперь представьте, что тысяче курьеров в Москве нужно доставить грузы в разное время по разным адресам. Чем быстрее и качественнее будет принято решение, тем больше заработает компания.
Вторая сфера — моделирование сложных квантовых систем. Например, в фармакологии новых материалов для того, чтобы понимать лекарственные свойства молекул, нужно точно знать их параметры. Третье направление — ускорение машинного обучения. Четвертое связано с безопасностью: квантовый компьютер может ускорить решение вопросов, связанных с кибернетикой и криптоанализом. Появление квантовых компьютеров потребует от нас пересмотра методов защиты информации и перехода на другие алгоритмы и технологические решения.
- Какова востребованность квантовых вычислений в России? Кто в них заинтересован больше всего?
Востребованность высокая. Причем представители индустрий не просто проявляют заинтересованность — они активно вовлечены в создание и развитие квантовых вычислений. Про атомную отрасль я уже говорил. Финансовый сектор — еще одна сфера. Здесь я отдельно отметил бы основного партнера РКЦ, «Газпромбанк». Уже в 2016 году банк тестировал первую в России линию защищенной квантовой связи. Сегодня он внедряет квантовые технологии для решения сложных вычислительных задач в сфере инвестиционных портфелей, в области обработки данных, для защиты информации. Интересуются квантовыми технологиями и нефтегазовые предприятия.
Уверен, что у России есть определенные географические преимущества, которые делают применение квантовых компьютеров оправданным при решении некоторых задач. Например, если страна небольшая, то оптимизация логистики хотя и приведет к экономическим эффекту, но не очень существенному. У нас же ускорение или улучшение процессов всего на несколько процентов даст определенный экономический эффект уже за счет масштаба страны.
- Кто выступает драйвером развития квантовых технологий — наука или бизнес?
Это процесс взаимного опыления. Ученые предлагают идеи, а коллеги говорят: «Нет, нам нужнее то и то». Происходит длительный, но крайне важный итерационный процесс, в рамках которого мы более точно ставим задачи. В результате, когда появится «железо», будет понятно, для чего его использовать. Мы тесно работаем с коллегами, занимающимся экспериментальными платформами по квантовым вычислениям. Заготовлен пул тестовых задач: в момент появления квантового компьютера наши партнеры могут запустить их и мгновенно получить результаты. Поэтому ученые активно работают и видят заинтересованность индустрии и страны в целом. Это очень важно.
- Удается ли вам достигать баланса между академической свободой и большой коммерческой целью, необходимого для прогресса в квантовых исследованиях?
Это сложно достижимый баланс. Пока нам удается его сохранять. У нас сохраняется дух академической свободы и при этом есть ориентированность на конкретный результат. Этот мягкий баланс можно достичь, если привлекать два типа людей: ориентированных на практику и на свободное творчество. Когда удается свести вместе разные форматы, получаются удивительные вещи.
Источник: Издательство Origami Books
Приведу пример. В конце прошлого года коллеги из Китая заявили, что они совершили прорыв с квантовой алгоритмической точки зрения. Мы с коллегами из Сбера начали анализировать их работу. Таким образом удалось соединить абстрактные академические исследования и конкретную бизнес-проблему. Когда эти вещи так удачно сошлись, появился очень интересный результат.
Мы детально изучили предложенный алгоритм и обнаружили подводные камни, препятствующие его реализации. Российская команда стала первой в мире, которая опубликовала подобный отчет. И сейчас выходят статьи западных и восточных коллег, где они ссылаются на нашу работу.
Думаю, путь к достижению практического квантового превосходства лежит через такое объединение разных людей и разных команд вокруг интересных вопросов. Чем больше точек соприкосновения, тем лучше.
- В предыдущих интервью вы говорили, что широкая цель науки — не просто добывание знаний, а демонстрация полезности знаний. Какую пользу могут принести ваши исследования? В каких сферах?
Мы рассчитываем, что благодаря нашему вкладу квантовый компьютер станет полезным инструментом для страны в целом, а не только предметом интересов узкого круга ученых и профессионалов. Здесь уместно провести параллель с атомной отраслью. Изначально она преследовала вполне определенную цель — обеспечить безопасность государства. Но сегодня благодаря атомщикам в нашу повседневную жизнь внедрено огромное количество технологий, которые стали предметом гордости всей России. Надеюсь, что с квантовым компьютером произойдет нечто подобное.
С одной стороны, он станет инструментом решения сложнейших научных задач, поможет людям понять устройство Вселенной и оказаться в некой точке, где мы никогда не сможем побывать. Например, смоделировать черные дыры, раннюю Вселенную или квантовую гравитацию. С другой стороны, компьютер ускорит работу цифровых сервисов, усовершенствует оптимизацию различных процессов в масштабах страны, ускорит обработку данных, сделает искусственный интеллект еще сильнее. И тем самым квантовые технологии перейдут рубеж, превратившись из способа познания в полезный инструмент.
При поддержке грантов РНФ, а также в рамках «дорожной карты» мы проводим исследования, применяя квантовый компьютер для разных задач. При этом фокус был и остается на оптимизации. Например, совершенствуем телекоммуникационные процессы и работаем в сфере квантовой химии, то есть моделируем химические соединения. Одно время мы сотрудничали с крупными автомобильными компаниями, стремясь понять, как квантовый компьютер может моделировать новый тип аккумуляторных батарей для электромобилей. Плюс изучаем сферу машинного обучения: пытаемся понять как ускорить решение задач классификации и кластеризации данных.
Источник: Издательство Origami Books
- А что станет с классическими компьютерами после появления квантовых? И могут ли сравниться с квантовыми устройствами так называемые суперкомпьютеры — машины с огромной вычислительной мощностью?
Классическая физика — это прочный фундамент. Что строить на нем — это уже вопрос квантовой физики. Квантовый компьютер не заменит классический. Он улучшит его возможности для решения определенного класса математических задач. В данном случае уместно провести аналогию с классическим и графическим процессорами. Когда мы захотели играть на компьютере, то не выбросили классические процессоры, а просто дополнили их графическими. То же происходит и сегодня. Ученые дополнили существующие процессоры квантовыми, чтобы ускорить решение определенных классов математических задач, которые плохо поддаются классическим устройствам.
Что касается сравнения квантового компьютера с суперкомпьютером. Есть понятие квантового превосходства, под которым понимают возможность квантового компьютера решить какую-то задачу значительно быстрее, чем классический. Сейчас речь идет о сравнении 70-кубитного компьютера с суперкомпьютером, на котором запущен наилучший известный на сегодняшний день алгоритм решения той или иной задачи. Если первый находит решение за минуты, то классическому компьютеру могут потребоваться на это десятки лет. Так что рубеж в части тестовых испытаний уже преодолен. Сейчас важно конвертировать это в какую-то полезность и находить ответы на насущные вопросы.
- Каким вы видите будущее квантовых технологий?
Квантовый компьютер позволит разгадать сложнейшие проблемы современной науки. Я убежден, что мы не просто строим квантовый компьютер, а в каком-то смысле продолжаем отвечать на вопрос, заданный американским физиком Чарльзом Беннетом: «Какие ограничения природа накладывает на возможности компьютеров?» Мы пытаемся понять, каким может быть самый мощный компьютер в рамках физических законов Вселенной. Это действительно амбициозная цель, о которой хочется думать, которую хочется решать. Может, Вселенная и есть этот единственный мощный вселенский квантовый компьютер? Может, нам удастся создать самый мощный компьютер из тех, что в принципе можно построить.
- Что вам дает поддержка Российского научного фонда?
Гранты РНФ играют серьезную позитивную роль в моей научной карьере, а также в карьере моих коллег. Поддержка обеспечивает нас фундаментом для дальнейших прорывов. Первый грант РНФ, который я получил в 2019 году, помог создать в РКЦ собственную научную группу и сфокусироваться на взаимодействии квантовых алгоритмов и машинного обучения. А мой коллега Евгений Киктенко благодаря поддержке РНФ далеко продвинулся в области кудитов.
Я рад принимать участие в мероприятиях Фонда. Они всегда прекрасно организованы и имеют цель, в которую я глубоко верю: о науке следует рассказывать широкой аудитории. Люди должны знать о том, куда двигаются ученые, каких результатов достигают. Российский научный Фонд строит этот мост между наукой и аудиторией. Это очень важная миссия.
Мне хочется, чтобы таких примеров было больше и чтобы люди в России знали о ярких ученых, сильных институтах и достижениях, которыми страна может гордиться.
* Соглашение о развитии высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», заключенное между Правительством РФ и госкорпорацией «Росатом» в 2019 году..
