Квантовые компьютеры еще не появились, но уже меняют мир. Почему?

Всем привет, меня зовут Самат Галимов и это подкаст «Запуск завтра». Как технический директор я пытаюсь разобраться, как устроены сложные и интересные штуки. Я зову профессионалов, с которыми можно поговорить простым человеческим языком. Вы наверняка слышали о квантовых вычислениях, квантовых компьютерах. Каждые пару лет появляется новость, что вот очередная компания сделала квантовый компьютер из столько-то кубитов, и это, мол, суперпрорыв. Это изменит всё! При этом ничего не меняется. Я уверен, что очень мало людей понимает, что такое квантовые компьютеры. Честно говоря, до записи этого эпизода я сам очень плохо понимал, что это такое, хотя в университете прослушал целый курс про квантовые вычисления. Не спрашивайте, как я сдал экзамен, но сегодня мы постараемся разобраться, насколько реалистично и насколько скоро стоит ожидать появление квантовых компьютеров и на что их появление реально повлияет в нашей обычной жизни. Разбираться будем с ученым, который работает над квантовыми компьютерами прямо сейчас. Это последний эпизод восьмого сезона нашего подкаста. Мы подготовили традиционный опрос. Пожалуйста, пройдите его. Мы реально читаем все отзывы. Нам очень важно понять, что вы думаете о нашем подкасте, что вам нравится или не нравится. И еще в прошлый раз вы нам посоветовали некоторых гостей, которых мы смогли позвать и взять у них интервью. Например, интервью с Григорием Бакуновым, Бобуком. или с Валерием Бабушкиным про Data Science получились именно потому, что вы нас настойчиво о них попросили. Ссылка на опрос в описании к этому эпизоду. Пожалуйста, пройдите, это для нас очень важно. Это подкаст студии Либо-Либо, и мы его сделали вместе с сервисом онлайн-образования Яндекс.Практикум. У практикума есть курсы не только для начинающих, но и для опытных программистов, которые хотят прокачаться. Например, у них есть курсы по программированию на C++ с нуля и для бекендеров, по алгоритмам и структурам данных, по Go, по асинхронному программированию, по React, DevOps, автоматизации тестирования на Java и Python. Там очень много практики и обратной связи от наставников. Это классные курсы, а еще у всех них есть бесплатная часть, так что можно попробовать и понять, нравится это или нет. Ссылка в описании к этому эпизоду.

Привет, меня зовут Алексей Федоров, я руководитель научной группы Российского квантового центра и университета МИСИС.

Давай начнем прямо со снов. Что такое кванты? Ну и слово «квантовые компьютеры».

Окей, я собирался, кстати, начать со слова «компьютеры». Ну ладно. Ну то есть, на самом деле, чуть проще эту связку начать понимать с компьютеров. Компьютеры— это что-то, что производит вычисления. И вот у нас уже, в принципе, есть какие-то компьютеры. В них есть определенный принцип того, как представляется информация. И то, как информация преобразуется. Информация представляется в битовом виде и преобразовывается при помощи логических операций, сложения, отрицания и так далее.

И представляются эти биты электрическими сигналами. Есть сигнал, нет сигнала.

Совершенно верно. А вот квантовый компьютер – это тоже вычислительное устройство, но в котором информация кодируется не в большой поток частиц, а в каждую частицу индивидуально. Или там в каждое некоторое, как мы говорим, квантовое состояние индивидуально. И оказывается, что за счет определенных эффектов поведения квантовых систем, я их озвучу, это квантовая запутанность, такие системы вычислительно обрабатывают информацию по другим принципам. Ну, например, вместо битов, которые могут быть либо 0, либо 1, у нас есть кубит, который может быть и 0, и 1 одновременно. Мы можем взять два кубита, запутать их при помощи специальной логической операции и получить состояние двух высоко скоррелированных, высоко связанных частиц. Пока запутался только я. В ходе дискуссии скрутим.

Ты сказал, квантовые системы. Можешь прям совсем на пальцах сказать, чем это отличается от обычной физики, к которой мы привыкли?

Да, значит, вот мы привыкли к такой классической физике, значит, вот напротив меня, допустим, стоит стол, да, и вот он стоит, значит, у него есть какие-то физические характеристики, и оказывается, что все эти характеристики я плюс-минус могу хорошо определить. Ну, например, я могу сказать, что Стол не двигается, поэтому его скорость равна нулю, и находится он вот в этой точке пространства. А оказывается, что если мы идём в сторону микроскопических объектов, объектов микромира, таких как элементарные частицы, атомы, кванты света, фотоны, то такое описание перестаёт работать. Например, из-за принципа неопределённости мы не можем сказать одновременно о частице, где она и с какой скоростью движется. И вот есть наборы параметров, которые в квантовых системах определить одновременно идеально не удаётся. Иными словами, они подчиняются немножко другим правилам по тому, как их необходимо описывать. То есть, вместо того, чтобы сказать, что вот здесь стоит стол с такой-то координатой, с такой-то скоростью, мы должны ввести некоторую величину для квантового случая, которая будет описывать ее, как мы говорим, состояние. Более хитрая штука. Есть анекдот такой, знаешь, физика останавливает ГАИшника и спрашивает, да вы хоть представляете, с какой скоростью вы едете? Он говорит, нет, но зато я точно знаю, где я. Вот, вот как-то так.

Ну, я пока и вообще не, даже у меня ни малейшего представления нет, как это использовать для вычислений.

Сейчас будем разбираться. В целом, я сразу скажу, что однозначного мнения о том, как будет работать квантовый компьютер, на какой физике, нет. Но это нормальная ситуация. Ты помнишь, первые компьютеры были там механические, электромеханические, ламповые. А вот когда мы нашли вот кремниевые транзисторы, мы поняли, что такая система очень хорошо масштабируется, и поэтому начался ее очень быстрый прогресс. Вот в квантовом случае мы сейчас находимся в такой выткаламбуром неопределенности. Мы знаем несколько принципов, как можно использовать квантовые системы для вычислений, для создания кубитов, но не знаем, какой из них самый лучший и является ли в принципе какой-то из известных самым лучшим.

Зачем это нужно все?

Это нужно, потому что мы понимаем, что определенные задачи, которые сейчас очень важны для развития нашего мира, мы решать при помощи даже самых супермощных классических компьютеров не сможем. Например, это моделирование сложных материалов, сверхпроводников, которые передают электричество без потери. Это моделирование лекарств, различных вариантов химических соединений, которым он может использовать в качестве, не знаю, удобрений, других целей. Для того, чтобы их моделировать, нужны колоссальные вычислительные ресурсы, и недостаточно использовать современные суперкомпьютеры. Это задачи оптимизации, да, это, скажем, поиск оптимальных маршрутов, составление расписаний, последовательность каких-то процессов. Здесь количество вариантов растет очень быстро с увеличением размерности задач, но вспоминаем там задача коммивояжёра, когда курьеру нужно приехать. Города и составить оптимальный маршрут. Если городов много, найти оптимальный маршрут сложно. Вот гипотетически квантовые компьютеры такие задачи смогут решать значительно быстрее, чем классические. Есть еще задача, например, из области криптографии, криптоанализа. И вот оказывается, если квантовый компьютер появится, он сможет взламывать те традиционные криптографические алгоритмы, которые мы на сегодняшний день используем. Поэтому у него есть очень-очень интересное приложение. Здесь важно подчеркнуть, что это то, что нам, скорее всего, не будет доступно, если мы будем просто линейно развивать наши привычные классические компьютеры.

На телефоне я запускаю WhatsApp и переписываюсь. Делаю фотку, обрабатываю, запускаю Excel, собираю таблички, бабки читаю. Квантовый компьютер будет делать то же самое, только быстрее и лучше?

Скорее всего, большую часть из этого нет. Вот знаешь, какая аналогия подходит? В какой-то момент тебе станет недостаточно Excel и WhatsApp, и ты захочешь мощно играть на своем смартфоне. И тогда тебе понадобится графический процессор для более эффективной обработки графики.

Видеокарта.

Видеокарта.

Те самые, которые подорожали из-за криптовалют.

Именно так, именно так. То есть это специализированные классические процессоры, которые очень хорошо справляются с определенным классом задач, но Excel на нем запускать бессмысленно.

Невозможно.

Ну да, или невозможно, или бессмысленно. Вот квантовые компьютеры – это как бы новый тип спецпроцессоров, специальных процессоров, которые могут решать определенные классы задач быстрее, чем, скажем, классические или графические процессоры.

И это будет вместо вот этих тысяч обычных компьютеров какая-то одна железка, которая подключена к одному компьютеру, да?

Ну, например, да, то есть какой-то сопроцессор для классического компьютера, квантовый сопроцессор, который будет часть задачи, которая сложна для классического процессора, как бы делегировать этому сопроцессор, он будет ее решать, выдавать ответ, а обрабатывать мы его будем классически и выдавать уже классический ответ. Вот такая примерно концепция.

Ага.

Офигенно.

Много раз повторю, что они будут считать быстрее, и можешь как-то прикинуть во сколько

раз быстрее или как быстрее?

Просто пока не очень ощущение есть.

Ну вот парадигма концепции называется квантум-превосходством, то есть когда квантовый компьютер решает что-то быстрее, чем классический. И вот впервые, когда это было показано, утверждалось, что на решение одной тестовой математической задачи, не очень осмысленной, ну, квантовому компьютеру нужно 200 секунд, а классическому суперкомпьютеру 10 тысяч лет.

Опа.

Но там такая история, что потом пришли ребята из IBM и такие говорят, ну не 10 тысяч часов, может быть там типа сотня часов, а потом сказали вот там дни, потом китайцы показали, что можно считать это на 60 картах Nvidia за какие-то часы. Но потом другие китайцы, другая группа из Китая, они сделали более мощный квантовый компьютер, и вот там они уже решали эту задачу за сотни секунд. А самому мощному суперкомпьютеру, который в Китае располагался, требовалось сотни, тысячи, десятки тысяч часов. То есть это такой масштаб.

Это типа десятки порядков.

Да.

У меня все внутри уже звенит, я чувствую, что это суперклассная штука. Можешь чуть-чуть рассказать, кто и когда это придумал? Когда это началось вообще?

История следующая. Вообще в середине 20 века, 50-60, люди задались вопросом, какие физика накладывает ограничения на вычисления. То есть есть ли какие-то фундаментальные пределы, которые даёт физика на мощность компьютеров. Мы знаем про размерные ограничения, что транзистор не может быть размером с один атом, но это довольно очевидно. А вот Рольф Ландауэр сформулировал очень интересную вещь, он сформулировал предел, ниже которого по энергетической эффективности не могут работать компьютеры, так называемый предел Ландауэра, что одна операция занимает определенное количество энергии. Это вот предел Ландауэра, kT·log2, где k — постоянная Больцмана, T — температура, логарифм 2, потому что у нас битовое представление, либо 0, либо 1, вот поэтому КТ логарифм 2. Его коллега, Чарльз Беннет, начал исследовать работу Ландаура. Они оба работали в компании IBM, что интересно. Компания, которая сейчас является одним из лидеров в разработке квантовых компьютеров. Беннет начал рассматривать системы, в которых можно было бы обойти предел Ландаура. Это абсолютно умозрительный вопрос был. Вот в духе этой умозрительности Беннетт показал, что если там использовать специальные операции, которые называются обратимыми, тогда можно, но, в общем, это не очень полезно, потому что генерируется огромное количество дополнительной информации, которую нужно хранить в памяти. Опять же, не очень практично. Но что сделал Беннетт? Ключевая вещь. Он подошел к Ричарду Фейнману и спросил, Ричард Фейнман, а какие квантовые механики накладывают ограничения на вычисления?

Фейнман— это один из самых гениальных физиков прошлого столетия.

Абсолютно, да.

Просто чистый гений.

Действительно, очень незаурядный человек, очень интересный, он лауреат Нобелевской премии, он сделал очень большой вклад в науку. Фейнман подумал, задумался, понял, что квантовая механика серьезных ограничений не накладывает. Более того, можно сделать компьютеры, которые работают как квантомеханические системы. И вот есть статья Фейнмана «Квантово-механические ЭВМ», она есть на русском языке, она начинается ровно с этой истории, что к нему пришел Чарльз Беннетт, задал этот вопрос, навел Фейнмана на размышления, и Фейнман начал рассуждать, и пришел к концепции квантовых компьютеров.

Неслучайный человек придумал эту идею.

Абсолютно, абсолютно. Но при этом считается, что вот Фейнман— отец квантовых компьютеров. Но вот я настаиваю, что вклад Беннета правильно заданный вопрос правильному человеку навёл вот на размышления и привёл к этой концепции. Поэтому вот лично для меня я считаю, что Беннет один из отцов идеи квантовых компьютеров. Но есть параллельные истории. То есть это один трек был. Второй трек – это история Юрия Манина, советского математика, который в книге «Вычислимое и невычислимое» примерно в эти же годы, 80-е, указал, что если мы будем использовать квантовые системы для построения вычислений, то которыми оперируют… экспоненциально быстро растет, поэтому в них сокрыта возможность осуществлять сложные вычисления. Это параллельная история, примерно похожая, то есть он рассуждал, вот в книжке можно прямо найти этот абзац. Есть третья история, она для меня самая интригующая. Пока я писал там некоторый обзор на эту тему, меня познакомили с Дэвидом Дойчем. Дэвид Дойч знаменит сейчас тем, что он придумал концепцию квантовой машины Тьюринга, такой абстрактной математической модели квантового компьютера. Есть квантовый алгоритм Дойча. Но я с ним поговорил, он сказал, на самом деле я пришел к концепции квантовых компьютеров значительно раньше всех. Я даже статью подготовил на эту тему. Но её не приняли к публикации, но он как-то вот неподробно объяснил, что произошло. И показал мне, что у неё эта реальная статья была. опубликована позже Фейнмана и Манина. Но в ней очень интересные были инсайты. То есть явно человек думал очень много на эту тему. Он, например, думал о том, как могут быть построены квантовые компьютеры. И в начале 80-х придумал вот эту концепцию, которую мы до сих пор используем. А для квантовых вычислений, у неё прям такая строчка есть. Поэтому я, когда рассказываю лекцию «История квантовых вычислений», говорю, что есть неоспоримый факт, что отцом квантовых вычислений, я считаю, Дэвида Дойча. Потому что он мне честно сказал, что это он. У меня нет причин ему не верить. Поэтому здесь такая great minds think alike. Многие люди думали в это время о квантовых компьютерах. И в начале 80-х Маннин, Фейнман, Дойч, Беннетт – это люди, которые стояли у столпов этой концепции.

Безумно, конечно, круто, что в одно время это, значит, реально оно витало в воздухе. Сколько бабок сейчас в это вкладывают? Можешь просто масштаб показать?

На самом деле я тут продолжу тогда историю, потому что это как раз больше всего к бабкам подведет, значит. Люди начали дальше что делать? Люди начали придумывать алгоритмы. Они такие, о, прикольно, есть такая штука, давайте подумаем, что с ней можно было бы сделать. Дойч придумал алгоритм, Саймон придумал там, и вот пришел человек, которого звали Питер Шор, И Питер Шор придумал самый возможный тригующий алгоритм. Он показал, что если квантовый компьютер будет создан, он как раз-таки сможет взламывать криптографию. Вот есть такая байка, что с этого момента все крупные IT-компании начали нанимать себя в штат физиков. И на самом деле начало инвестиций, вот это вот в середине 90-х, после появления работы Питера Шора, у меня был коллега, который говорит, я помню, что тогда Microsoft начали рассылать офферы на работу физикам. Я не знаю, не ручаюсь, что это правда или нет.

Значит, Питер Шор выяснил, что с помощью квантовых компьютеров можно будет взламывать всю современную криптографию. То есть алгоритмы шифрования.

Да, очень большой класс алгоритмов. Не всю, но очень широкий класс.

Которые активно применяются.

Да, которые там 95% данных в интернете защищаются при помощи этой криптографии. Квантовый компьютер появляется, это все взламывается.

И в этот момент все такие, ого, я хочу себе такой компьютер.

Типа того. Но какой-то бум, он произошел, я думаю, последние 7-10 лет, когда в это пришла компания Google, когда они создали свою лабораторию, когда стал инвестировать активно Китай, когда появились многомиллиардные программы в Европейском Союзе. Ну, я думаю, что это там десятки миллиардов, может быть, уже, если все просуммировать, к сотне миллиардов долларов движется из того, что мы знаем. И, скорее всего, есть еще крупные инвестиции, про которые мы не знаем.

Понятно, все хотят это сделать, много бабок вкладывается, а есть практические результаты? Есть квантовые компьютеры, которые уже полезны?

Тут надо ввести функцию полезности. То есть квантовые компьютеры пока не решают экономически востребованные задачи быстрее, чем классический суперкомпьютер. Это надо зафиксировать. Пока таких прецедентов нет. Но квантовые компьютеры решают научные задачи, которые невозможно было бы решить иначе. И квантовые компьютеры решают тестовые абстрактные математические задачи лучше, чем суперкомпьютеры. Вот такой статус.

Получается, физически такая железка уже существует под названием квантовый компьютер? Она производит вычисления просто пока задачи, которые она решает, либо теоретически абстрактные, Либо... Либо научные.

Ну вот, к примеру, да, впервые показали, что такой топологическая спиновая жидкость, не будем давать подробно, что это такое, но это интересная очень фаза материи, которая была предсказана в 20 веке, что она может быть реализована на квантом-компьютере. Вот. Это абсолютно научные приложения, да. Это знаешь, как похоже, когда лазеры появились, их сначала использовали лаборатории для научных экспериментов. Потом лазеры стали в принтерах, в указках, в скальпелях и так далее. Вот мы сейчас плавно-плавно идем в эту сторону с квантом-компьютерами, когда они станут массовыми.

И вот тут я хочу как раз перейти к тому, как они реально устроены, и начать с простого, как мне кажется, вопроса, что кодирует информацию в квантовых компьютерах. Вот в обычных компьютерах это электрический ток есть, нет? А что в квантовых?

Это зависит от реализации квантового компьютера. Сейчас рассматривается четыре лидирующих типа. Четыре, сейчас вот пятый подступает. Это сверхпроводниковые квантовые компьютеры, атомные, ионные и фотонные. В каждом из них еще и разные способы кодирования в случае сверхпроводников. Что такое сверхпроводник? Это штука, которая проводит электричество без потерь. В общем, по сверхпроводнике можно создать ток, который будет течь по часовой стрелке, а можно создать ток, который будет течь против часовой стрелки. А можно создать его суперпозицию. Правильно, в правильном там электромагнитном поле поместить его, тогда значит ток будет течь и под часовой, и против часовой с определенными коэффициентами. Вот оказывается, что можно в такие суперпозиции тока кодировать состояние. То есть, значит, если он влево, там, например, это 1, если вправо, это 0, а он может быть и влево, и вправо одновременно, это будет кубит.

Условно, половина тока будет течь в одну сторону, половину в другую?

Это главная проблема нашей области. Когда мы начинаем применять какой-то классический опыт для описания квантовых систем, это всегда не работает. Наше воображение не работает. Это не половина тока. Это именно суперпозиция двух квантовых состояний, описывающих этот ток. Представить себе это, можно какие-то аналогии проводить, но, скорее всего, нашего классического воображения для этого просто не хватает.

Скорее просто, типа, смириться, что это математическая функция, в которой есть две компоненты.

Да, вот в книге Ландау-Лифшитса в третьем томе примерно так написано. Смиритесь. Ребята, это как бы так. Окей.

Вот есть объект физического мира, супермаленький, с каких-то суперусловиях, типа, очень низкая температура, у которого есть определенные свойства суперпозиции. Как из этого сделать вычисление? Давай выберем какой-то один подход, вот который ты сейчас начал описывать, и до него

пройдем весь этот путь.

Я как бы хотел для двух других сказать, это будет тогда чуть попроще. Давай озвучу, может быть, мы их используем. Потому что в атомах и ионах, вот эта картинка, когда есть ядро, есть электроны, и можно, например, состояния энергетические, к которым мы привыкли, в них кодировать. Вот 0, 1. И почему это классно? Потому что если мы берем атом, и его берем какие-то низко лежащие, то есть низкоэнергетические состояния, которые близкие к основному, то там информация может очень долго храниться. То есть можно записать туда состояние, вот этот кубит, скажем, один уровень это будет 0, другой уровень это 1. И вот мы можем состояние этого кубита довольно долго хранить, например, в атомах. За счет этого их перспективно используют для квантовых компьютеров. Проблема в том, что пока информация хранится в их низколежащих состояниях, они информацию хранят, но ни с чем не взаимодействуют. Но нам же нужно проводить вычисления. Значит, потом, что мы хотим? Мы хотим создать много атомов. Ну как, мы берем вот каждый атом при помощи специальной ловушки, мы ловим и сделаем такой массив. Вот представьте себе, такая одномерная система, точечки, каждая точечка— это отдельный атом.

В ряд.

в ряд. Но оказывается, что, в принципе, можно сделать не ряд, а можно сделать, например, из них квадратик.

Ага, сетку.

Да, а можно, например, Эйфелеву башню. То есть, в принципе, уровень контроля над одиночными атомными состояниями в специальных ловушках, он, ну, беспрецедентно высокий сейчас в экспериментах. И любую фигурку, которую ты себе можешь представить, в таком паттерне можно выстроить. Ну, давай представим себе просто, скажем, вот решетку такую, да, 10 на 10. Нам нужно заставить произвольные атомы из этой решетки провзаимодействовать так, чтобы состояние одного атома меняло состояние другого. Что для этого делается? Атом возбуждается до высокоэнергетических состояний. ридберговскими. Эффективно это просто увеличивает размер атома, и атомы начинают друг друга чувствовать. И за счёт этого они могут обмениваться информацией. Например, если один был в состоянии 0, то другой переходит в состояние 1. Или, там, если он был в состоянии 1, то он не меняет состояние. Это похоже на операцию контролируемого отрицания. Сразу прошу прощения, у слушателей, которые занимаются атомной физикой, я немного здесь все огрубляю, но это там с целью словно популяризовать область. И вот при помощи взаимодействия атомов, которые от природы у них есть, когда они достаточного размера, можно проводить логическую операцию двухкубитную. Она будет задействована на два атомных кубита. И получается, что у нас есть? У нас есть однокубитная операция, это мы влияем на каждый атом по отдельности. Записываем информацию по Записываем информацию, да, ну, как-то создаём начальное состояние, например, все атомы в состоянии 0, а потом начинаем проводить двухкубитные операции с любой выбранной парой. Они взаимодействуют, обмениваются информацией, потом мы обратно, значит, эту информацию записываем вниз. Условно в буфер памяти, который у нас в низковылежащих состояниях.

Ага.

И дальше что нужно? Нужно реализовать какой-то алгоритм. Алгоритм— это последовательность как раз однокубитных и двухкубитных операций на этом массиве. Есть утверждение, что там достаточно для того, чтобы реализовать любой алгоритм. Любое преобразование исходного записанной информации в массиве атомов в любое другое произвольное нам достаточно однокубитных операций, то есть которые влияют на индивидуальные кубиты, и двухкубитных. То есть любое сколь угодно сложное преобразование, сколь угодно сложная эволюция можно декомпозировать на взаимодействии двух атомов или на изменение одного атома индивидуально.

Когда ты увеличиваешь энергетическое состояние двух атомов и они начинают взаимодействовать, это есть запутывание?

В данном случае это и есть запутывание, это та операция, которая генерирует нам запутанность. Её результат – это уже состояние двух запутанных между собой кубитов, когда их нельзя разделить на состояние одного кубита и другого кубита в отдельности. Поэтому нам нужно инициализировать состояние, например, все атомы приготовить на инициальном энергетическом состоянии. Потом иметь возможность локально изменять состояние отдельных атомов, не меняя других. Например, какой-то привести состояние 0 в состояние суперпозиции, а какой-то из 0 в 1. И так, чтобы другие этого не чувствовали. А потом начать делать между ними двухкубитные, вот тем самым образом, путем возбуждения, запутывающие операции, которые поменяют состояние всей системы в итоге. Между всеми в итоге я сделал, там, запутывающую операцию получил, квантовое состояние, очень сложное, для описания которого уже требуется 2 в степени 50 чисел. То есть, чтобы это промоделировать на классическом компьютере, хранить в памяти размера 2 в степени 50.

Это очень большое число?

Большое. То есть вот рост этот экспоненциальный, он показывает, что там даже каждый новый кубит— это значительное увеличение требований.

Но почему это быстрее? Потому что сейчас наши современные компьютеры, там 2 гигагерца, это значит 2 миллиона раз в секунду, оно может произвести операции над обычными регистрами.

Да, но здесь одна операция, ты понимаешь, если пересчитывать классический мир, то это одна операция над регистром 2 в степени 50. То есть в этом эффект. Эффект состоит в том, что мы за счет одной операции, которая может быть медленной, Оперируем в огромном пространстве состояний. То есть у нас есть состояние, которое и 0, и 1 одновременно, с некоторыми вероятностями. И у нас есть операция, которая генерирует нам квантовую запутанность. Вот эти два ресурса, которые я обозначил. Кубит может одновременно находиться в суперпозиции. И такая логическая операция мне доступна. Я могу взять кубит в состоянии 0 и выполнить логическую операцию, которая мне приведет ее в состояние с коэффициентами определенными 0 плюс 1.

А, то есть ты не обязан записывать ровно 0 или ровно 1. Я могу записать условно 0, 75, 0. с произвольными коэффициентами.

Но там коэффициенты— это комплексные числа, сумма квадратов в модуле которых должна равняться единице, потому что это вероятность.

Это направление, получается, такое.

Ну да, это направление, например, там... Вверх-вниз. Вверх-вниз, да-да-да. И я могу, в принципе, там, произвольный поворот реализовать на какой-то так, что у меня будет чуть-чуть единицы и побольше нуля, или наоборот. Но это само по себе интересно, но как бы не даёт колоссальное преимущество. Даёт преимущество— это запутывающая операция, которая делает состояние одного кубита зависимым от состояния другого кубита. Тогда для того, чтобы описать такую систему, например двухкубитную, Не нужно хранить память, и уже состояние там 2 в степени 2. А если я, например, последовательными логическими операциями запутывания запутал 50 кубитов, то вся эта система требует для описания 2 в степени 50 чисел. Много состояний. Ну то есть, вот два атома, если мы их запутали, они уже в четырех состояниях могут одновременно находиться, потому что 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1. Берем три атома, это уже три возможных состояния, потому что один может быть в основном, в возбужденном, в возбужденном, в основном и так далее. То есть, чем больше атомов запутано между собой, тем больше одновременно состояний, в которых они находятся.

Но ведь в обычных компьютерах мы тоже в байте 8 битов, и они одновременно хранятся, и операции мы производим сразу над байтом.

Значит, вот у нас есть же 8 классических битов. Почему это не то же самое, что 8 запутанных кубитов? У тебя каждый раз в процессе вычисления одна возможная реализация из 2 в степени 8 возможных, да? От 0-0-0-0-0 до 1-1-1-1.

Да-да-да, до восьмой.

А здесь представь, что у тебя одновременно реализуются все возможные состояния от 0-0-0-0-0 до 1-1-1-1. Потому что, смотри, как только мы их запутали, состояния начинают быть взаимосвязаны между собой. Поэтому количество возможных комбинаций, в которых они одновременно находятся, растёт как 2, потому что 0-1, а 8, потому что 8 кубитов. И поэтому для описания такой системы требуется 2 степени восьмой чисел.

Я понял. Типа мы одновременно храним все возможные состояния этих восьми битов внутри восьми кубитов.

Как можно так сказать, не будет совсем прям точно, но близко аналогия. Понимаешь, вот для разных слушателей может быть немножко разный ответ. Можно сказать так, знаешь, вот как говорят, мы одновременно просчитываем все возможные комбинации восьми битовых сроков.

Я себе представил, как задачу перебора в графе, когда тебе нужно оптимальные дороги просчитать. Это как будто мы... Обычно компьютером мы проходим одну дорожку, потом проходим вторую, третью и так далее. Можно представить, что у тебя улицы на карте загораются по одной по очереди для того, чтобы найти оптимальную дорогу. А здесь они загораются как будто все вместе.

Ну типа того, то есть они все как бы немножко начинают загораться, да, и в итоге там загорается самый оптимальный из них. Ну вот как бы можно такую интерпретацию. Более корректно, вот если там немножко придираться, то вот это вопрос, сколько нам нужно информации для описания состояния. А чтобы решить задачу оптимизации, вот такая штука нужна. Нужно создать систему, в которой одной операцией можно изменить поиск оптимального маршрута для огромного количества переменных. Потому что все они взаимосвязаны определенным образом. Вот в этом важная фишка. То есть мы разрабатываем такую штуку для того, чтобы решать определенные классы задач, по крайней мере, как мы это сейчас понимаем.

Получается, тут две сложности. Во-первых, технологическая научиться этими атомами проверять, а во-вторых, нужно придумать, как транслировать нашу реальную практическую задачу в какое-то состояние квантовой системы, чтобы квантовая система ее описывала, да?

Вот ты сейчас назвал два основных вызова в области квантовых вычислений. Как построить квантовые компьютеры, из какого железа, как все нормально управлять. И второе, как сделать квантовые алгоритмы полезны. Потому что вот это два главных вопроса, на которые все мировое сообщество ищет ответы.

Хорошо.

количество атомов

В мире рекорд 256.

Вау, это очень много.

Это много, да. Но они не все друг с другом пока запутаны, поэтому это не является идеальным квантовым компьютером, в котором было бы 2 в степени 256 состояний. Количество запутывающихся в ходе вычислений атомов там значительно меньше, и количество операций, которые мы там делаем, пока не является универсальным набором, который нам нужен, чтобы запрограммировать всё. Поэтому 256 атомов— это скорее то, что мы называем квантовый симулятор или ограниченный квантовый компьютер. А вот самые такие из доступных универсальные квантовые компьютерные системы, с кем показывали эксперименты, это 60, правда, там 64, 66, но правда это не атомы, а это вот сервпроводники, о которых мы вначале говорили, вот там где суперпозиции токов, например, или там другие энергетические состояния уже от сервпроводниковых систем. То есть это сейчас мы называем эра NISQ (noisy intermediate-scale quantum). Шумные, что ограничивает качество наших операций над ними. Intermediate scale, что количество в них 50-100, но может быть несколько сотен. И quantum, что мы можем показать, что это реально квантовые системы и квантовые эффекты играют роль, что это не какие-то классические вычислительные инструменты.

А теперь секундка рекламы. Дорогие друзья, это последний эпизод восьмого сезона. Мы сейчас уйдем на небольшие каникулы и обязательно вернемся с новым сезоном. Но еще у нас есть два очень важных ресурса. Во-первых, у нас есть чат подписчиков в Телеграме и ссылка на него есть в описании к этому эпизоду. Там вы можете поделиться своими мнениями, чувствами, ощущениями, мыслями. Можете задать нам вопросы. Там есть все члены команды подкаста. Во-вторых, у нас есть бонусные эпизоды, которые выходят каждые две недели, по пятницам. Они продолжат выходить даже во время каникул. Ссылки в описании к этому эпизоду.

Как с этими компьютерами работают? Вообще-то, на самом деле, как они выглядят даже? Давай так, потому что, как выглядит видеокарта, все примерно знают. Там, размером с книжку. Как выглядит современный квантовый компьютер?

Ну, современный квантовый компьютер, в принципе, там, сам квантовый чип может быть примерно такого же размера. Вопрос в том, что для поддержания его состояния нужны, скажем, там, рефрижераторы растворения, которые охлаждают до очень-очень-очень низких температур, там, до микрокельвинов. Поэтому вся эта штука вместе занимает, там, комнату. Если говорить про атомы, про которые мы сегодня много говорили, то это оптический стол, на нём есть маленькая коробочка на этом столе, которая называется вакуумная камера, она намного меньше, чем стол. В нём при помощи оптических полей создаётся и контролируется сначала облако атомов, а потом атомы, которые мы рассовали в такие отдельные оптические ловушки. В оптических ловушках эти атомы собираются, ловятся, переставляются при помощи оптических пинцетов, лазерные лучи, которые сфокусированы очень сильно на ловушке, её могут передвигать по пространству. И всё остальное на этом оптическом столе, 80%, это лазерная система.

Охлаждение.

Система охлаждения, система, которая поддерживает состояние, система считывания, система адресации. То есть это большое количество вспомогательных систем, которые поддерживают состояние этой маленькой камеры. То есть это сложный квантово-оптический эксперимент. Вот такая какая-то система. Но вот проводили эксперимент не так давно. Один из типов квантовых компьютеров, йонный, смогли упаковать вот со всем оборудованием, которое необходимо, в серверную стойку.

Вау.

размером с большой холодильник, на самом деле.

Да, да.

То есть вот если задаться целью, то можно там 20-кубитный квантовый компьютер засунуть в серверную стойку.

Прикольно. Ну и я так понимаю, что это как раз технологическое человечество умеет делать, оно будет постепенно размеры уменьшать, количество увеличивать.

Да, но тут имеет смысл это делать, когда мы поймем, какая система хорошо масштабируется. Пока это такая proof of concept. Часто приходят какие-то скептики и говорят, что это никогда не будет работать, потому что это оптический стол огромных размеров. Мы говорим, что нет, вот, это работает. История квантовых вычислений – это история борьбы с скептицизмом. Потому что каждая такая next big thing – это была история про то, что… как братья Райт говорили… тогда и приходите. Вот в квантовых вычислениях было все то же самое. Они говорили, квантовые компьютеры никогда не заработают, потому что там будут из-за декогеренции. Питер Шор придумал коды коррекции ошибок. Ему сказали, когда покажете двухкубитную операцию, тогда и переходите. В 1995-м показали двухкубитную операцию. Потом сказали, ну когда покажете 10 кубитов, тогда и приходите. Там обычно показали 10 кубитов. Потом сказали, когда покажете квантовое превосходство, тогда и приходите. Потом показали квантовое превосходство. Сейчас говорят, когда покажете полезное экономическое квантовое превосходство, тогда и приходите. Вот сейчас мы где-то на этой стадии находимся.

Ага. И есть какое-то большое количество обычных компьютеров, ну типа стандартных наших ноутбуков условных, которые, во-первых, контролируют всем ведь всей этой машинерией, а во-вторых, видимо, записывают и считывают. То есть ты там в этом компьютере говоришь, хочу вот в этот атом записать

такую-то Это довольно продвинуто сейчас. Реально есть один сервер, один серверный компьютер, к которому подключены драйверы от всей необходимой управляющей электроники. Поэтому физик может сказать, хочу такую-то квантовую операцию или такую-то последовательность. Нажать на кнопку, эта последовательность операции отработается. Она в итоге сводится к тем последовательностям лазерных импульсов, например, которые нужно послать на атомы, ионы и так далее. И вот так это заработает.

А как выглядит программирование? Вот обычная программа, я примерно понимаю, там, фор, типа, цикл, вот это всё.

Так же, точно так же, просто библиотеки другие, которые выполняют определённые математические операции на квантом-компьютере. Короче так, есть специализированные языки, да, которые в основном интересны людям, которые пишут там алгоритмы, их оптимизируют, вставляют потом из них библиотеки. Есть, ну буквально вот, там, не знаю, в питоне можно писать код, часть из которого будет запускаться на квантом-процессоре. и делать такой гибридный квантово-классический алгоритм. Вот у меня часть ребят в моих команде занимается одним типом программирования квантовых компьютеров, часть другим, которые занимаются больше таким ресерчем, для научных целей они ближе к самому процессору. Ребят, которые занимаются приложениями, то есть мы ищем со всякими индустриальными партнерами приложений для квантовых компьютеров, там более высокоуровневый язык, чтобы просто будущим пользователям было легче с квантовым компьютером работать.

А ведь получается, что нормальные программисты квантовый алгоритм писать не могут. Это нужно прямо отдельное какое-то знание, понимание.

Сейчас такая смешная фаза. То есть сейчас и физики пишут квантовый алгоритм, и математики, и, в принципе, приходят программисты, которые... Много людей приходят к нам на работу, которые из области классического машинного обучения. И они так очень быстро начинают осваивать квантовые штуки для программирования, и как-то у них очень плавное погружение, как мы видим. Видимо, они привыкли к чему-то такому, потому что все может работать по-разному. Такие приходят, такие, о, окей, можно было и так, отлично. Или там, знаешь, вторая интерпретация такая, что никто не понимает вообще, как алгоритм машинообучения работает.

И тут они тоже не понимают, и им это окей.

И тут никто ничего не понимает, и все работает.

Но вообще толерантность к неизвестности, мне кажется,

это такой важный... Это важный фактор. Знаешь, это толерантность к тому, что твой интеллект ограничен в том, чтобы что-то вообразить, и ты можешь это только принять. Это вот важная особенность современной науки. То есть у нас есть сложная классическая программа, мы доходим до стадии, когда мы написали функционал, который нам надо оптимизировать. А скажем, мы можем запустить, ну не знаю, условно, функцию OPT классическую, а мы вместо функции OPT классической пишем там Q OPT, там F, и тогда запускается библиотека уже не классическая там, а которая подразумевает подключение квантового сопроцессора, там происходит операция оптимизация,

и получается ответ. Лазеры там фигачат, вот это всё.

Считывание присылает нам классическую информацию, и мы ее интерпретируем как ответ на поставленный вопрос.

Офигенно.

Сколько есть алгоритмов для квантовых компьютеров?

Там десятки, может быть сотни разных квантовых алгоритмов для совершенно разных задач. Начиная вот от, скажем, поиска по непорядочной базе данных. Есть алгоритм Гровера. Есть какие-то такие чисто научные теоретики числовые, проверка того, функция какому классу удовлетворяет. Есть вот разложение чисел на простые множители. Есть моделирование квантовых систем, есть оптимизационные алгоритмы. Есть такой сайт, зоопарк квантовых алгоритмов, ЗУ. Вот там их, я думаю, что десятки, сотни.

Вот ты сказал, что есть поиск в неупорядоченной базе данных, и это, в принципе, полезная задача. Ну, сложная, полезная, но она подразумевает, что тебе нужно всю эту базу данных куда-то загрузить. Что, ее можно загрузить в квантовый компьютер? Мы сейчас обсуждали, что в нем всего 50.

Там, да, там чуть-чуть всё тоньше. Да, это потребуется. То есть это скорее, знаешь, задача типа вот есть оракул, и мы подаем на оракул запросы, и мы хотим найти один из возможных запросов, на который оракул выдает, скажем, один, тогда как на все остальные запросы он выдает ноль. Вот такая постановка задачи. Вот если есть классический оракул, чёрный ящик, мы ничего про него не знаем, то нам примерно n пополам нужно запросов попробовать в среднем, да, чтобы найти элемент.

А, на который он скажет единицу.

Да, единицу. Например, половину.

Переврать половину, да.

Примерно, да-да-да. в среднем перебрать половину. Мы тут проспорили, у нас была шутка, типа, что best case, да, то есть average case, да, это n пополам, где-то было написано, мне коллега подходит, говорит, нет, ну вот я хочу поспорить, значит, best case это один, когда тебе один запрос нужен.

Ну, конечно, сразу угадал.

Я говорю, нет, best case это ноль, когда ты подходишь, подкупаешь человека, который сделает таракул, и он тебе просто говорит ответ, и все. не запускал алгоритм, а получил ответ. Прикол в том, что если мы сделаем полный квантовый аналог этого оракула, то есть представьте, что мы оракул взяли как бинарную функцию, декомпозировали на все возможные гейты. Вот берём и делаем её полный квантовый аналог, все логические операции заменяем на квантовые аналоги. И у нас получается квантовый оракул. Вот утверждается, что в квантовый оракул нужно корень из n запросов вместо n пополам. Это квадратическое ускорение. Почему? Потому что мы можем составить состояние суперпозиции всех возможных запросов. И за счет того, что оракул будет действовать не на каждый возможный вход по отдельности, а на равновероятную суперпозицию, Мы за определенное количество прогонов этого оракула, а именно за корень из n, можем найти тот самый элемент, на который он говорит 1, тогда как на все остальные он говорит 0. Поэтому здесь есть квадратичное ускорение по сравнению с классическим алгоритмом. Это полезно для майнинга криптовалют. Потому что майнинг криптовалют, по сути, это поиск решения некоторого уравнения, h(x конкатенация с nonce) = y. И нам нужно перебирать все поля нонс. Вот почему квантовый компьютер полезен для криптовалют. С криптовалютами тоже будет не все хорошо, когда появится квантовый компьютер, потому что в криптовалютах есть цифровые подписи, которые взломают квантовый компьютер, может быть, украсть кошельки. Люди говорили о том, что в 27-30 году, или такой консенсусный прогноз, если квантовый компьютер появится с определенными свойствами, тогда блокчейна надо как-то переделывать, чтобы они были устойчивыми.

Это так. Хочу про алгоритмы шифрования. Как так получилось, что квантовые компьютеры могут расшифровать современную криптографию, которой мы шифруем карточные данные, пароли и вот это всё?

Оказывается, что когда мы разрабатывали ту самую криптографию, которой мы сейчас пользуемся, алгоритмы RSA, Diffie-Hellman, мы предполагали, что определенные классы математических задач классические компьютеры будут решать очень плохо. Например, искать сомножитель простых чисел. Классическая криптография на чем базируется? На том, что для шифрования или для вработки ключа, или для цифровой подписи нам нужно проделать простую математическую операцию, например, перемножение числа. А для того, чтобы злоумышленнику получить доступ к ней, ему нужно решать задачу факторизации, разложение числа на простые множители. И мы строили эти алгоритмы, исходя из предположений, что это сложно. А вот только в середине 90-х, с появлением алгоритма Шора, стало понятно, что это не так сложно. Вот обмен ключами в этом HTTPS, когда ты заходишь в браузер, это или 4096, там длина большая. Но оказывается, эти ключи, которые мы используем для асимметричного шифрования, или для распределения ключей, или для цифровых подписей, квантовые компьютеры могут взламывать.

Опа.

Поэтому есть такая технология, когда мы берём асимметрично распределённые ключи и определённым образом их преобразуя, используем АЕ, асимметричные алгоритмы шифрования. Но здесь как бы проблема наступает на более раннем этапе. Мы взламываем сами ключи, а не алгоритмы шифрования.

Обмен ключами взламывается в этот момент?

распределение ключей. Вот это уязвимая точка. Алгоритмы шифрования, они уязвимы при предположении, что мы не знаем ключ. Они тоже уязвимы к атакам по отношению с квантом компьютером, но там работает только алгоритм Гровера, то есть алгоритм поиска непорядочной базы данных. Поэтому вместо n пополам у нас корень из n. Поэтому, скажем, вот если у нас есть длина ключа алгоритма шифрования 256, то ее стойкость в квантом мире 128 из-за вот этого квадратичного ускорения. Если 512, то в квантом мире нужно перебирать не 512, а там 2 в корень, то есть 256.

А сколько умеет перебирать квантовый компьютер? Как быстро он перебирает?

Пока такая задача на практике не решалась. Теоретически он перебирает квадратично быстрее. Это теоретическая оценка. Если мы возьмем квантовый компьютер, в котором было бы 20 миллионов физических кубит, то взломать алгоритм RSA, в котором 2048 бит, он мог бы за 8 часов. Я же тебе правду говорю?

Стало немножко поспокойнее, я просто думал, что сейчас 100, будет 1000, и все на капусту.

Почему 20 миллионов? Потому что предполагается, что кубиты работают с ошибками. Поэтому, чтобы реализовать коды коррекса ошибок, у нас есть дополнительные кубиты. И для того, чтобы реализовать один безошибочный логический кубит, нужно тысяча других кубитов, чтобы реализовать код коррекса ошибок. Но если, допустим, мы бы научились кубиты делать идеальными, то тогда достаточно было бы тысячи логических кубитов. Количество кубитов примерно увеличивается как 2n плюс 3, где n— это размер ключа в битах. То есть, чтобы взломать идеальным квантум-компьютером, безошибочным, RSA-ключ, в котором, скажем, 2048 бит, нужно примерно 4000 кубитов. Идеальных. А неидеальных— 20 миллионов.

А что ближе, как ты считаешь,— идеальные кубиты или много грязных?

Много шумных появится быстрее, я думаю, если не будет какого-то научного прорыва. А его предсказать очень сложно. Есть идея, как делать бесшумные кубиты, так называемые fault-tolerant, но пока там отрицательный результат. То есть некоторое время назад заявила компания Microsoft, они показали майорановские фермионы, на которых можно делать вот эти устойчивые к ошибкам кубиты, но потом статья была отозвана. Не воспроизвелся этот результат в другом эксперименте. Вот, и это немножко сейчас такой greenfield снова, то есть люди с нуля начинают эту область развивать.

Мне стало чуть-чуть побезопаснее, когда ты сказал о масштабах, то, сколько было и сколько надо.

Я хочу тебя предостеречь, потому что, смотри, допустим, сейчас ты обмениваешься какой-то информацией, которая имеет актуальность 10-20 лет. Например, твои генетические данные. Когда делаешь генетические тесты, ты же передаешь свой геном в электронном виде. Пока не придумали, как его можно атаковать, но данные чувствительные. Так что, по-хорошему, с учетом того, что, скорее всего, на масштабе 20 лет квантовый компьютер, который все взломает, появится, уже сейчас нужно определенную категорию данных не смог их взломать.

Как это сделать? Есть алгоритмы какие-то лучше, чем RSA?

Да, есть алгоритмы, которые лучше, чем RSA. Вот не так давно было объявлено, что, например, Google, который разрабатывает квантовые компьютеры, уже перешел на внутренних коммуникациях на новые алгоритмы, так называемые постквантовые, которые устойчивы от атак с квантом компьютером. И есть второе решение, так называемая квантовая криптография. Это история, когда мы, используя одиночное состояние света, одиночные кванты света, кодируя в них информацию, передаем ее так, что любая попытка вмешательства в процесс передачи будет обнаружена. И за счет этого мы сможем распределить ключи так, что мы точно будем знать, что процесса вмешательства в них не было.

То есть второй вариант— это мы физически гарантируем, что никто не подслушал.

На уровне закона физики, да. Точнее, мы гарантируем, что если кто-то прослушал, то мы услышим. Поэтому мы для формирования ключей используем только такую информацию, которую мы можем физико-математически доказать. Охренеть!

Мы передаём очень много информации, смотрим, какая из них была не прослушана, и её используем для обмена ключами.

Прикольно. Более того, я тебе скажу, что вот из проквантовых компьютеров еще есть вопросы, там, где они, куда, когда, там, есть ли они в России, вот спрашивают, ответ есть. Вот квантовая коммуникация уже есть в России и практически используется.

Вау, вау, серьезно, что ли?

То есть это прям вот технология, к которой можно, ну, можно пойти в магазин и купить себе устройство в квантовом распределении ключей.

Стоп. Это железка, условно, две железки, приемчик-передатчик, и они обмениваются информацией, ты включаешь свой компьютер и можешь... Да.

По оптоволоконному кабелю, по классическому, которым использовали передачи данных в интернете, они обмениваются однофотонными сигналами между удаленными точками и могут распределять ключи. Вот мы такой эксперимент делали еще в 2016 году между миобанковскими отделениями, например. Окей.

Это ты рассказал про вот этот способ, когда мы на физику опираемся, а ты сказал, что у Google уже начали использоваться алгоритмы шифрования, которые постквантовые, но при этом, видимо, не используют никаких квантовых эффектов, а просто хитрую математику.

Возвращаемся к примеру с поиском по непорядочной базе данных. Если в взломе ключей наш выигрыш экспоненциальный по сравнению с классикой, то в переборе наш выигрыш только квадратичный. И мы увеличением размера ключа в два раза можем нивелировать эффект квантового компьютера. Поэтому, например, криптографические хэш-функции относительно устойчивы по отношению к атакам с квантовым компьютером, если размер ключа выбрать правильным. Поэтому, например, всю криптографию можно перевести на криптографические хэш-функции. распределение ключей, подписи. Вот лучше всего работа подписей, распределение ключей, обычно другие примитивы используются. Но вот подписи можно делать на криптографические хедж-функции. И они будут устойчивы по отношению к атакам с квантовым компьютером.

Есть и достаточно большие ключи.

Да. И вот есть четыре примерно сейчас разных математических подхода, они конкурируют между собой. Как построить постквантовую криптографию? Вот, например, в Америке в США проходит конкурс по стандартизации постквантовых алгоритмов. Там уже было много раундов. На входе было там нескольких десятков кандидатов, сейчас их там 5-6-7. Основные, запасные, люди их исследуют, находят ошибки, какие-то кандидаты отпочковываются, какие-то, наоборот, доказывают, что они хорошие. Например, вот мы тоже занимаемся этим направлением, в какой-то момент нашли ошибку в доказательстве секретности одного из протоколов, написали об этом в НИСТ, они опубликовали, а потом разработчики исправили с участием нашего коллеги, исправили эту ошибку. Вот, например, такой процесс стандартизации сейчас идет, и я думаю, что мы увидим в наших смартфонах обновления на постквантовой библиотеке значительно раньше, чем квантовый компьютер.

Очень круто. То есть очень много людей делают ставку на то, что квантовые компьютеры скоро появятся.

У меня лекция пару лет назад, так называлась, игра на повышение. То есть люди повышают ставки, потому что знают, что, скорее всего, это появится. Потому что сейчас очень активно инвестируют в очень разные элементы этой экосистемы. Кстати, забавно, есть просто статья, которая описывает, что произойдет в этот день. Называется The Day Cryptography Dies. Типа, что с миром произойдет, если появится из ниоткуда квантовый компьютер, который все будет заломать, очень интересно. То есть квантовый компьютер, еще не появившись, уже влияет на многие сферы.

Расскажи, а что реально сейчас сдерживает вот этот Quantum Supremacy, когда появление практически применимых квантовых компьютеров хотя бы в криптографии? Что, техническая часть, алгоритмическая часть, что мешает?

Кстати, в формате тоже байки. Слово Quantum Supremacy сейчас нельзя использовать, его забанили сообщество, потому что Supremacy— какой-то плохой термин. Поэтому мы теперь говорим Quantum Advantage, квантовое преимущество.

Хорошо.

Что сдерживает? Не нашли пока элементную базу, которая бы идеальным образом масштабировалась. То есть вот не нашли квантовый аналог кремниевого транзистора в каком-то смысле. Нашли то физическую платформу, это будут атомы, ионы, фотоны, серпроводники, полупроводники, в которых можно каждый год увеличивать в два раза количество кубитов, не теряя качества. Это первый фактор. Если мы найдем такую платформу, точнее, когда мы ее найдем, Тогда количество кубитов будет расти год от года значительно быстрее, без потери качества. Вот сейчас показывают, может быть слышал, анонс был, 433 кубита IBM. Но они ничего не говорят про качество двухкубитных операций. Если оно будет такого же уровня, как на маленьких компьютерах, это будет беспрецедентный прорыв. Но если там качество квантов операции низкое, то даже имея огромное количество кубитов, никакой полезный алгоритм реализовать нельзя. Нужно одновременно иметь и много кубитов, и очень точно делать вот эти запутывающие двухкубитные операции, про которые мы говорили сегодня. Их качество очень важно. Это сдерживает. Второе, действительно, алгоритмы. Мы знаем определенные алгоритмы, но эта сфера очень молодая. Квантовые алгоритмы разрабатываем 40-50 лет, а классические несколько тысяч лет. Поэтому в квантовых алгоритмах мы тоже не дошли какого-то такого пика. особенно с точки зрения соотнесения возможностей квантовых компьютеров и потребностей квантовых алгоритмов. То есть люди, когда их писали в середине 90-х, они же не задумывались о том, насколько сложно построить 10 миллионов кубитов и 20 миллионов. Но они писали свои оценки, и для них это действительно самоценно. А третий важный аспект – это коды коррекции ошибок. То есть текущие квантовые компьютеры не корректируют ошибки, и это ограничивает их возможности. А классические процессоры корректируют ошибки. Вот нам нужны эффективные квантовые коды коррекции ошибок, а их сделать сложно. Есть, но они сложные.

Например, чтобы... А, надо слишком много кубитов для них?

Да, ну, overhead очень большое, то есть количество дополнительных кубитов. Чтобы сделать один логический, нужно тысячи физических. Физические— это шумные, логические— идеальные. Это очень много. То есть нужно в идеале... А сейчас

мы работаем, получается, экспериментируем только с шумными, да?

Да, все эксперименты в мире проводятся с шумными. Но здесь есть демонстрация кодов коррекс-ошибок, какое-то подавление ошибок.

Что их теоретически вообще можно реализовать.

Их можно реализовать. Даже в экспериментах показано, что там один логический кубит, два логических кубита можно сделать. Но это пока не масштабируемая штука.

Получается, что мы сейчас добавляем по одному кубиту условно, наращивая сложность. И мы пока не нашли платформу, на которую мы могли бы их добавлять, умножать так же, как мы по закону Мура в обычных процессорах.

Мы можем умножить, но сильно упадет качество операции. Поэтому ли возможность реализовать полезный алгоритм у нас не появляется. Это такая величина, то есть количество кубитов само по себе не очень хороший показатель. Лучше говорить про то, что называется квантовый объем. Квантовый объем – это сочетание количества кубитов и точности двухкубитной операции. Если у нас будет много кубитов и высокая точность двухкубитной операции, тогда мы сможем реализовать сложный алгоритм. Если у нас есть много кубитов и очень низкое качество квантовых операций, то мы можем реализовать только очень короткий алгоритм. Это неинтересно. Если у нас есть высокая точность операции, у нас мало кубитов, это неинтересно, потому что мало кубитов мы можем промоделировать. Поэтому нужен одновременно рост и количества, и качество. А сейчас то, что мы видим, мы видим увеличение количества кубитов, а качество сильно не растет. А вот, например, чтобы реализовать код коррекции ошибок, качество двухкубитных операций должно быть не ниже определенного порога. Называется error correction threshold. И доведение до этого уровня— это сама по себе проблема.

Недавно я название издания (напр. Хабр / vc.ru), что учёные получили Нобелевскую премию за исследование квантовых вычислений. И я регулярно вижу пресс-релизы от IBM или Google, или там ещё от кого-то,

что вот у них очередной прорыв, и

это самый крутой квантовый суперкомпьютер. И я, честно говоря, в какой-то момент просто перестал обращать на эти новости, их фильтрую у себя в голове, потому что нихера в практических применениях я не вижу, и это каждый раз просто какое-то писькомерство крупных корпораций. Как мне не пропустить реальный прорыв? На что стоит обращать внимание?

Скажу сразу, что вот то, что касается премий, это чаще всего очень выверенная временем история, потому что вот коллеги, которые получили Нобелевское премие в этом году, они делали свой эксперимент там 70-80-е годы. То есть это реально прошедшее временем важное открытие. Вот я там очень много знаю про работу Алана Аспе, в особенности, потому что там, где я учился на PhD, вот Алана Аспе, то есть это было буквально рядом с его институтом доптика, в котором он работает. Или, скажем, работа Антона Цейлингера, последняя, не из-за которой он получил Нобелевскую премию. Самая последняя— это, например, использование квантовой криптографии, но они оптоволоконным кабелем, а между двумя странами используют спутника.

Так что можно, что ли?

Так можно, потому что это тоже открытое пространство, по нему могут передавать фотоны. Это люди, которые вносили супервклад в развитие области, и они показали фундаментальные основы, фундаментальные концепции, которыми сегодня используются квантовые вычисления, квантовая криптография и так далее. Также в этом году была премия Мильнера (Breakthrough Prize), которую я упомянул, ее получили Дойч, Шор, Беннет и Брассар. Это люди, которые придумали квантовые вычисления, квантовую криптографию. То есть их заслуги прошли проверку временем. Это люди, абсолютно поменявшие наше представление о том, как могут работать квантовый компьютер и так далее. А если говорить про количество кубитов, это не очень хороший показатель. Его справедливо критикуют, потому что ты слышал, наверное, про 433 кубит IBM, а до этого про 70 кубит Google. А вот, например, у D-Wave 5000.

Вот-вот что-то я слышал о DeWave.

Но эти 5000 кубитов работают там не как универсальный квантовый компьютер, а квантовые устройства квантового отжига. на уровне пресс-релизов с этим разбираться? Никому. Поэтому я думаю, что очень правильно будет показывать решение практических задач. То есть, внимание заслушивать кейсы, когда люди попробовали применить квантовый компьютер к решению какой-либо востребованной практической задачи. Например, сейчас много людей думают про квантохимическое моделирование на квантовых компьютерах. И одним из крупнейших спонсоров исследований частных Или это автомобильные компании, которые пытаются снизить выхлопы, которые пытаются, например, сделать более эффективные аккумуляторные батареи для электромобилей. Это практические задачи, здесь через тернии к звёздам люди, шумные квантовые компьютеры как-то пытаются использовать алгоритмы, улучшают, то есть вот здесь вот это вот Работа ведется, и про нее, наверное, не так всегда весело писать перселивизы, но это такой, знаешь, борьба за факторы. Когда, я помню, мы начинали интересоваться квантовой химией, там количество шагов в алгоритмах было какое-то невероятно большое. Скейлинг был там n в степени какой-то очень большой. На несколько порядков снизили просто за счет алгоритмических улучшений. Вот это важные штуки, когда крупные компании реально работают над приложениями. Где Google, опять же, часто впереди планеты, все это в приложениях. Они работают с фармацевтическими компаниями. Они работают в области машинного обучения. Это классные кейсы. Это, по всей видимости, может быть даже важнее, чем количество кубитов, которые есть в квантом процессоре, потому что мы с тобой не думаем часто про то, сколько у нас транзисторов. Мы думаем про то, какие задачи наш компьютер решает. Всегда можно задать себе вопрос, что сделано, полезно ли это, и насколько сравнимо сейчас с классическими решениями, когда мы ожидаем какого-либо прорыва.

А есть результаты, когда вот эти шумные квантовые компьютеры на текущий момент уже что-то дали какое-то... результаты, короче.

Результат есть, но без улучшений. То есть нет улучшения по сравнению с классическими суперкомпьютерами, но есть понимание, что какие-то, например, небольшого размера молекулы можно генерировать. Или, например, в алгоритмах машинного обучения можно, по-другому обучая нейронные сети, получать другие решения. Не лучше и не хуже, а за счет того, что спектр возможных решений очень большой, Можно искать новые какие-то семейства, кластеры, решения. Это, например, вот почему я упомянул фармацевтику, потому что у нас даже мы этим тоже занимались, таким гибридным алгоритмом машинообучения, когда мы такой генеративный алгоритм обучали на квантовом компьютере. Тогда мы нашли новые молекулы с потенциальными лекарственными свойствами. которые не были известны. Мы про них пока ничего не можем сказать, что они там лучше лекарства, что их можно синтезировать. Но факт, мы получили другие решения. Это тоже интересно. Вот поэтому пока это такая, знаешь, немножко как в хорошем смысле возня. То есть нет пока вот такого killer application, нет пока такого преимущества очевидного. Но люди вот стараются, значит, ползут в эту сторону. И это очень важный шаг на пути к развитию, к практическому применению квантовых компьютеров.

И мне кажется, многие обычные люди недооценивают вот это ползение. То, что большинство научных открытий, они не за счёт каких-то прорывов в голове, а они за счёт того, что люди десятками лет вкладывают маленькие-маленькие шишки.

Именно так. Это медленно-медленно ползём к следующему шагу. Он не за горами.

Но это всё не то, что, знаешь, типа одна вещь изменилась, и мы такие, вау, всё получилось. Это реально нужно много умных людей, много разных хитрых алгоритмов вместе соединить для того, чтобы что-то получилось.

Да, вот поэтому, если ты открываешь статью Google, про которую мы сегодня много говорили, там там типа 30 авторов, 40 авторов.

Это довольно много для научной статьи, на самом деле.

Это много. Наверное, уже есть сотни.

Очень круто. Значит, мы с тобой подробно поговорили про криптографию и немножечко про химию. Расскажи ещё какие-нибудь задачи, с которыми ты сталкивался или которые прямо у всех горят.

Много думают про оптимизацию, про решение сложных оптимизационных задач, комбинаторных, где количество вариантов быстро растет с увеличением размерности задача. Приведу интуитивный пример, почему квантовые компьютеры могут быть полезны. Есть такое явление, которое называется туннелирование. Туннелирование – это возможность квантовых систем проникать в те области, которые отделяют их энергетическими барьерами, куда бы классические системы не могли бы проникнуть. То есть, условно, представьте себе, что есть узкий высокий барьер, который отделяет две ямки. Классическая частица, чтобы перепрыгнуть, нужна термальная такая энергия, возбуждение, которое позволит ей весь этот барьер преодолеть, перепрыгнуть из одной ямки в другую ямку. Квантовая система может протуннелировать туда. И оказывается, что вот тем самым можно решать более эффективным образом оптимизационные задачи. Потому что если есть какой-то оптимизационный ландшафт, нужно найти минимум функции, то мы можем часто застрать в локальном минимуме, который отделен от глобального узким высоким барьером.

Это очень известный феномен, да.

А вот квантовые системы могут преодолеть этот узкий высокий барьер за счет квантового туннелирования. Поэтому логистика, составление расписаний, комбинаторная оптимизация. Вот так работает квантовый компьютер компании DeWay, в котором 5000 кубитов. Они реализуют алгоритм квантового отжига. Их многочастичная волновая функция туннелирует по этому энергетическому ландшафту состояний.

Как отличить людей, которые делают реальные прорывы, от людей, которые пытаются на этом нажиться? Потому что я так понимаю, это почти как дот-комы. Говоришь, что это квантовое, и тебе дают

Ну, это не совсем так. То есть с доткомами есть принципиальные отличия. Вы всегда можете пойти, посмотреть, есть ли у фаундера публикации в Nature, в Science, Physical Review Letters. Знаешь, вот как у рэперов Street Credibility, как у них Scientific Credibility. То есть кто они в научном сообществе? Who is who? И если это человек, который не знает 20 лет публиковал научные статьи ученик Нобелевского лауреата и говорит тебе, вот моя лаборатория, в которой есть 20-кубитный квантовый компьютер. Я думаю, что высока вероятность, что он получит деньги. Высока. Это реальный кейс. Что есть фаундеры стартапов с таким послужным списком. Если тебе приходит какой-то ноунейм, Человек, который неизвестен научному сообществу, говорит, сейчас мы построим за 5 лет квантовый компьютер с миллионом кубитов, ну, high risk, high gain, я бы задумался. Поэтому если говорить про инвестиции, которые привлекают, наверное, есть те, кто привлекает их легко, но большинство хороших компаний проходит очень серьезный due deal. Хорошие венчурные фонды делают огромные интервью с большим количеством экспертов, ездят в лаборатории, смотрят потенциал, смотрят, что люди сфокусированы, ставят конкретные планы. Поэтому ведущие команды здесь получают такие смарт-мани и очень быстро за счет этих умных денег, от умных инвесторов быстро-быстро-быстро продвигаются. Вот поэтому скам Бывает, ну как бы он, наверное, есть всегда в такой хайповой области, но я бы не сказал, что он как бы доминирует. Скорее, доминируют очень высокие ожидания, а идти нужно, знаешь, вот просто пропахать это поле на брюхе и каждую пядь этой земли, чтобы найти вот это полезное квантовое превосходство. А люди уже с финиша кричат, давай-давай, быстрей-быстрей, мы ждем конечное приложение. То есть я бы сказал, что это больше проблема, чем скам.

Ага, завышенное ожидание. Окей, я бы хотел очень кратко, чтобы ты рассказал про то, что делаешь лично ты, чем ты занимаешься, и как это дело обстоит в России. Давай сначала про тебя, а потом про Россию в целом.

Мы занимаемся квантовым программным обеспечением, то есть мы разрабатываем алгоритмы и инструменты для квантовых информационных технологий. До этого мы активно занимались квантовыми коммуникациями, делали как раз алгоритмы, постобработки, коды коррекции ошибок, алгоритмы аутентификации. Все, что я тебе рассказывал в примере про квантовую криптографию, весь этот софт разрабатывали мы сами в России, делали алгоритмы. Сейчас мы больше сфокусированы на квантовых компьютерах. Мы делаем алгоритмы программного обеспечения для квантовых компьютеров, работаем как с такой, с научной стороны, когда мы делаем, ну, такие, как бы сказать, исследования того, что можно сделать в принципе, как делать квантовые компьютеры лучше. Там одна из наших идей— это делать, например, не квантовый компьютер на кубитах, а квантовый компьютер на кудитах. Это многоуровневая логика квантовая, когда у тебя пространство состояния растет не как 2 в степени n, а как-то 3 в степени n, или 4 в степени n, или 5 в степени n. Потому что количество уровней в реальном атоме, например, да, их не 2, не 3, их много. Поэтому, на самом деле, кодировать информацию можно гораздо-гораздо более эффективным образом при помощи кудитов. И также мы делаем алгоритмы в интересах пользователей, то есть мы работаем с компаниями, которым интересно понять, есть ли что-то у квантовых учлений полезное. Мы ищем задачи, прототипируем алгоритмы, показываем, что для каких-то модельных примеров это работает, оцениваем ресурсы и вот находимся в поиске того самого приложения и возможности его продемонстрировать на квантовых компьютерах. В России всё довольно неплохо в этой сфере. Понятно, что очень большая конкуренция, огромная конкуренция. Сейчас вот конкуренция между Китаем и Соединёнными Штатами Америки, она была беспрецедентная в этой области. То есть, кто из них лидеры, очень сложно. По количеству патентов, например, Китай обгоняет Соединённые Штаты в этой области. Это удивительно, но это факт. Или там самый мощный квантовый компьютер, продемонстрирующий квантовый превосходство, сейчас Китай. Их даже два в Китае. И два в Северной Америке, один в США, другой в Канаде. То есть в этом смысле гонка огромная. У нас есть дорожная карта по развитию квантовых вычислений в России. Она реализуется с 2020 года, в 2019-м была разработана. Ее цель как раз-таки все группы из разных очень университетов, центров, их более 20 задействованы на дорожной карте, а соединить как раз на одной площадке то, что ты говорил, много умных людей собрать вместе, чтобы они работали. Чтобы это был какой-то большой-большой-большой шаг вперед, большой прорыв по сравнению с командами, которые локально отдельно работают. В России есть двухкубитный квантовый компьютер на сверхпроводниках, есть четырёхкубитный квантовый компьютер на сверхпроводниках, четырёхкубитный компьютер на ионах, который на самом деле не кубитный, а кудитный. И вот это такая интересная штука, потому что кубитных компьютеров очень много, а кудитных там пока мало, пока их там 4-5 есть в мире, один из них в России. Поэтому мы стараемся, где возможно, обгонять, а где невозможно, пытаться находить какие-то штуки, которые позволяют нам определенный технологический цикл перепрыгнуть. Практика показывает, что это невозможно, поэтому если сконцентрировать усилия, можно рассчитывать на позитивный исход.

Офигеть.

Мой финальный вопрос такой. Вот я послушал это, понял, что это очень интересно, хочу узнать больше. Что стоит почитать, посмотреть, может быть, послушать кого-то?

Я начинал вообще с книжки, в которой нет ни слова про квантовые компьютеры, но она очень поменяла мою жизнь, книжка Стивена Хокинга «Краткая история времени».

Неожиданно.

Там есть про квантовую механику, очень красиво, и после этого я как-то заинтересовался квантовой механикой. Если говорить про научно-популярное, то я знаю, что на разных видеоплощадках огромное количество научно-популярных лекций, я как-то проводил исследования, что есть видео про квантовые компьютеры от минуты до нескольких часов, в зависимости от того, сколько времени вы готовы потратить на погружение. Я бы рекомендовал для ознакомления их, потому что информация очень быстро устаревает, и читать здесь книжки и статьи может быть не так эффективно. Если вы хотите глубоко погрузиться и понять, например, где ответ на вопрос, который ты мне задавал, почему там 2 в степени n? Почему вот так? Ответ на этот вопрос есть в введении книжки Джона Прескелла, лекции физико-квантовой информации, что-то такое. Lecture Notes можно найти в интернете. Там это прямо объясняется, что квантовая механика сложна, она генерирует самые сложные, экспоненциально сложные состояния. Есть такая библия, это Нильсен и Чуан, «Квантовые вычисления и квантовая информация». Замечательная книга. У нас есть коллега, который пришел к нам на работу устраиваться. Спросил, вот я вообще заканчивал экономический вуз, ничего не знаю, что мне сделать. И мы ему порекомендовали прочитать Нельсона Чанга. Он пришел через некоторое время с запрограммированными результатами упражнений Нельсона Чанга. Мы поразились тому, насколько это круто. Он сейчас у нас успешно работает. Делает, кстати, квантовый код коррекции ошибок. Вот, поэтому, если вы хотите глубоко погрузиться, есть несколько очень хороших книг, в которых всё гораздо более формально, гораздо более тщательно, гораздо более подробно, чем мне удалось сделать сегодня описано. Там всё строго и прозрачно. Людям с математическим мышлением будет интересно с этим познакомиться, с таким, кто любит строгость. Так что я бы это порекомендовал, наверное. Ну, наш такой подкаст, мне кажется, он был не бесполезный тоже.

Очень круто!

И вообще, я в офигении! Ну как, тест давай проведем! Лучше стало понятнее?

Безусловно лучше! Я наконец-то понял, о чём речь!

Отлично! Супер!

Спасибо тебе огромное, что нашёл время! Очень интересно!

Спасибо! Спасибо!

Друзья, у студии Либо-Либо выходит новый подкаст, он называется «Конкуренты» и там про то, как разные крупнейшие компании на планете боролись друг с другом за место на рынке. Uber против Lyft, Nike против Reebok и еще куча подобных историй. Ведущая подкаста – это Лика Кремер, основательница студии Либо-Либо и Даша Боровикова из банка Точка. Они делятся самыми сумасшедшими корпоративными историями и рассказывают, какие стратегии выиграли, а какие провалились. В общем, это очень классные истории, которые могут быть еще и полезны предпринимателям. Напомню, подкаст называется «Конкуренты». Подписывайтесь там, где вы слушаете подкасты. Ссылка в описании к этому эпизоду. Это подкаст студии Либо-Либо, и мы его делаем совместно с Яндекс Практикум. Спасибо, что вы были с нами. Пожалуйста, пройдите опрос в описании к этому эпизоду. Над подкастом работали редакторка Маша Агычева, продюсерка Настя Медведева, звукорежиссер Юрий Шустицкий. За джингл спасибо Алексею Зеленскому.

Удачи!