Сотруднику Центра карьеры МФТИ удалось побеседовать с выпускником Физтеха Алексеем Акимовым, занимающимся исследованиями в области квантовой физики. Предлагаем вашему вниманию первую часть интервью, в котором Алексей расскажет что такое квантовые вычислители, зачем они нужны и что они умеют на сегодняшний день.
Это был мой первый визит в столь современную лабораторию – в Российский квантовый центр. Знаете, в лаборатории все именно так, как надо, как и должно быть, можно сказать, как в кино! Новое оборудование, молодой коллектив мотивированных ребят, все заняты общим делом, рассказывают о проекте, над которым сейчас работают, и о недавних успехах, в общем, атмосфера потрясающая! Попадаешь в такое место, и сразу возникает желание заниматься наукой, сразу начинаешь жалеть, что плохо учил физику.
От имени Центра карьеры МФТИ мне удалось побеседовать с Алексеем Акимовым, выпускником ФОПФ 2000 года, кандидатом физико-математических наук, руководителем научной группы РКЦ, и хотя бы в общих чертах получить актуальную информацию по тематике квантовых вычислений.
В какой момент Вы начали увлекаться квантовыми вычислениями?
Это произошло в году 2006-ом, когда я впервые попал в Гарвард и вживую познакомился с тематикой квантовых вычислений. До этого я знал о существовании квантовых вычислений, но не лез очень глубоко в эту область. Потом потихоньку стало обнаруживаться, что то, чем мы занимаемся, активно используется в квантовой информатике. Мы изучали резонансы, которые используются по сей день в экспериментах по операциям с кубитами, переписыванию с одних кубитов на другие. В Гарварде я начал делать работу вместе с одним из гарвардских студентов, работа эта была ортогональна тому, что я делал до тех пор: она была посвящена одиночным фотонам и взаимодействию однофотонных источников с нанопроволочкой – абсолютно новой тематике. До этого я работал с атомами в кювете, с лазерами, нелинейными резонансами. И вдруг оказалось, что всё, что я знаю, очень помогает в незнакомой для меня тематике, а сама тематика таит в себе много нового и интересного.
А как получилось, что Вы попали в Гарвард?
Так действительно «получилось». Есть такие Михаил Лукин и Александр Зибров, мы с ними встречались на нескольких конференциях. Они спрашивали про мою работу, интересовались, поскольку она, в общем-то, была в русле того, чем они занимались в тот момент, немножко в другую сторону, но очень близко. Мы просто разговаривали, и в какой-то момент они меня пригласили.
Можете ли Вы обычным людям объяснить на пальцах, что такое квантовый компьютер и чем он отличается от обычного компьютера?
Основное отличие квантового компьютера, с точки зрения технологической, в том, что он максимально полно использует свойства отдельных частиц для проведения вычислений. Мы, в какой-то степени, всегда их используем, однако квантовый компьютер старается выжать максимум. С точки зрения логики его работы – это компьютер, использующий достаточно хитрые алгоритмы, которые очень трудно организовать (считается, что невозможно) на обычных, классических элементах. Смысл этих алгоритмов сводится к тому, чтобы не пытаться последовательно высчитать задачу шаг за шагом, а найти ответ на вопрос, который поставлен. Это своего рода умные вычисления. Самый простой пример, который я всегда привожу, это вопрос: «Какой из прямоугольников самый высокий?». Можно взять и померить каждый их них линеечкой и найти самый высокий – перебрать. Так классический компьютер будет решать эту задачу. А квантовый просто составит их вместе и потом скажет, какой самый высокий, немножко быстрее.
Звучит как-то нереально.
Это действительно не так просто. Для этого нужны специальные алгоритмы, использующие квантовую интерференцию частиц. Как известно из квантовой механики, все микрочастицы обладают свойствами и волны, и частицы одновременно. Могут складываться, как волны – интерферировать. Частицы также могут находиться в суперпозиции разных состояний – тоже своего рода сумма. Благодаря таким суперпозициям одновременно анализируются все возможные пути – потенциальные решения задачи. При этом неподходящие пути взаимно уничтожаются (антикоррелируют) за счет интерференции, а подходящие взаимно усиливаются, давая только правильные решения задачи. Поэтому, квантовый компьютер, по своей сути, не есть полная замена классического компьютера, он нужен, чтобы решать задачи, которые сложно решаются классическим компьютером. Задачи, которые классический компьютер и так решает хорошо, квантовый компьютер решать сильно лучше не будет, может быть немного быстрее. Например, задачи сложения и перемножения чисел классический компьютер и так выполняет нормально, так что тут не стоит ожидать каких-то особых прорывов, чуда не произойдет. А вот задачи, которые связаны с перебором, различными сложными оптимизациями, которые классический компьютер решает с трудом (за очень большое время) или вообще не может решить, квантовому компьютеру по силам, он может решать их сравнительно быстро, за приемлемое время. Задачи разложения на множители, поиска в базе данных, обработки больших объемов данных – это как раз задачки для квантового компьютера. Классическому компьютеру такие задачи решать тяжело. И так получается, что к этим же трудным задачам относятся задачи самой квантовой механики. Можно подумать, что обычному человеку задачи квантовой механики не очень нужны, и в каком-то смысле это правда, но с другой стороны, решая задачи подобного рода, мы можем, например, разрабатывать новые материалы, решать проблемы квантовой химии, медицины или биологии. Выходы могут быть самые разные: как сделать более качественный шампунь или не горящее, но при этом блестящее покрытие для автомобиля, как сделать эффективное лекарство и многие другие. Все такие расчеты очень сложны, поскольку сами задачи квантовой механики сложны по сути своей. Но квантовый компьютер может справляться с ними естественно – он сам живет в том же мире, что и задачи квантовой механики
Какие, по Вашей оценке, перспективы тематики квантовых вычислений?
Есть разные области применения квантовых вычислений, причем в разных ипостасях. Если мы говорим о компьютере, то, скорее всего, возникнет что-то вроде сопроцессора, который решает какие-то достаточно конкретные задачи типа поиска в больших базах данных (ими очень интересуется Google) или разложение на множители, поиск минимума, еще что-нибудь такое трудоёмкое. Так же, как сопроцессор видеокарты. Есть сопроцессор, который всю обработку видео делает, а основной процессор другие задачи решает. Будет ещё один сопроцессор, который будет решать какие-то сложные задачи: взламывать пароли для приходящих писем, например. Квантовый вычислитель – это, как бы, применение номер один. Применение номер два – расчет новых материалов, новых химических соединений, и здесь это может выполняться как с помощью квантового компьютера, так и с помощью более простых устройств, таких как квантовый симулятор, которые уже сегодня строятся: в частности, один строится внизу – в нашей лаборатории. Они также используют свойства квантово-механических частиц, но вместо того, чтобы строить полный компьютер, в котором есть биты и операции над битами, они используют метод подобия, то есть вы строите квантово-механическую систему, которая подобна вашему материалу, но которую вы можете контролировать, менять: менять структуру, менять взаимодействие между частицами, и подбираете те параметры, которые вам нужны.
То есть это решение каких-то сложных оптимизационных задач по очень большому количеству критериев?
Это такая основная тематика – разработка каких-то новых материалов с заданными свойствами. Если хочется, чтобы был какой-то прочный металл, но при этом он был очень легкий на замену, скажем, титану, как это сделать? Никто вам на раз не скажет, как это сделать. Но можно попробовать промоделировать и разработать такой материал в квантовом симуляторе. Или разработать новые магнитные материалы. Или всем очень нравится задача высокотемпературной сверхпроводимости, которая позволит избежать тепловых потерь в проводах бытовой сети. Представьте себе компьютер, который не греется – мечта!
Слева направо: Алексей Акимов, директор РКЦ Руслан Юнусов, сотрудница Центра карьеры МФТИ Светлана Ходукина.
Какие примерные временные сроки создания работающей технологии на базе квантовых вычислений или может уже сейчас что-нибудь есть? Какие примерно прогнозы?
Очень разные. Если говорить не только о квантовых вычислениях, а о квантовых технологиях вообще, то они пытаются использовать необычные свойства квантовых частиц для чего-то полезного, в частности, для вычислений. С какими-то мы уже работаем сегодня, какие-то только приходят в нашу жизнь, а до каких-то нам еще предстоит дойти.
Сам квантовый компьютер, например, это не завтрашний день. Сегодня люди хорошо научились контролировать 15 кубит, но переход на 100 кубит не дается легко, хотя вроде бы понятно, как это сделать. Проблема в том, что каждая ваша отдельная частица начинает взаимодействовать с прибором, с окружением, в котором миллионы, миллиарды, – много частиц. Когда частица одна, люди умеют вполне неплохо все эти вопросы решать и учатся её контролировать. Когда число частиц начинает увеличиваться, то за каждой надо очень внимательно следить, и это не очень просто: частицы начинают более активно взаимодействовать с внешним миром или неконтролируемым образом друг с другом, теряя свои свойства. Эта задача носит называние задачи масштабирования, и она пока не решена. Для реализации кубитов сейчас пробуют разные основы: сверхпроводники, центры окраски алмазов, ионы, холодные атомы, фотоны, и в каждой такой системе свои преимущества и недостатки. Фотоны, например, очень легко генерировать в любом количестве, однако из-за плохого взаимодействия с другими системами на них трудно выполнять операции. С ионами в ловушках легко выполнять операции, но когда их становится много, они норовят взаимодействовать неконтролируемым образом. Надо искать какой-то баланс, который, скорее всего, будет лежать, как раз, на стыке разных систем.
Перспективное направление – интерфейс между фотонами и какими-то твердотельными системами. Например, твердотельная система в алмазе. Уникальность ситуации в том, что проблема масштабирования пока выглядит скорее технологической, а не принципиальной. Возможность выращивать чистые алмазы дает возможность очень хорошего контроля за этими системами, но и здесь далеко не все технологические вопросы разрешены.
Что касается других технологий, то такую квантовую технологию как флеш-память, мы используем каждый день. Мало кто знает, что флешка, на самом деле, использует эффект квантового туннелирования, то есть свойство частицы проходить сквозь барьер. Когда вы записываете информацию на флешку, то электроны туннелируют сквозь потенциальный барьер внутрь потенциальной ямы (просто на висящий в изоляторе контакт), где и удерживаются в течение длительного времени без затрат энергии. Сейчас начинают появляться различного рода датчики, основанные на методах, вышедших из квантовых вычислений. Коммерческие компании начинают уже сегодня внедрять датчики магнитного поля на основе центров окраски алмазов.
Идея квантовых датчиков в том, что используя методы контроля над одиночной частицей, которые разработаны для квантовых вычислений, можно измерять очень маленькие воздействия на эту частицу. В частности, малые эффекты воздействия на нее магнитных и электрических полей. В Национальном институте стандартов США, используя квантовые вычисления, сделали часы на одном ионе, которые в 100 раз точнее, чем определение секунды. Последнее является базисом для GPS. Комитет по стандартам частоты серьезно рассматривает эти часы как новый стандарт. На сегодняшний день, как вторичный стандарт частоты, но, возможно, он станет первичным, то есть само определение секунды изменится.
Применение квантовых технологий в самых разных областях зачастую весьма успешно. Например, сейчас пробивают себе жизнь, и, в принципе, уже продаются (пока ещё короткодействующие и не очень быстрые) квантовые линии связи, в которых невозможно прослушать передаваемую информацию, не будучи обнаруженным. Если кто-то начнет прослушивать линию, вы сразу это узнаете, грубо говоря, зажжется лампочка: «нас прослушивают». Никакие секретные службы не смогут вас обмануть.
Какие-то технологии ещё в далеком будущем. Квантовые симуляторы, которыми я, в частности, занимаюсь, где-то посерединке. Уже сейчас люди активно делают моделирование с помощью холодных атомов в решетках. Квантовые симуляторы уже сегодня умеют решать некоторые задачи, которые традиционным компьютерам не «по зубам», даже суперкомпьютерам. И тут сразу возникает интересная проблема: как проверять правильность решений? Ведь, если вы умеете решать задачу, которую никто раньше решать не умел, то, как проверить, что решение правильное? Это довольно неочевидный момент. Сейчас используют такой подход: вначале люди решают задачу уже с известным ответом, а потом берутся за неизвестную и тем же симулятором ее решают. Но в итоге, конечная проверка – испытание, проверка свойств, скажем, спроектированного и синтезированного материала. Сейчас для квантовых симуляторов настал такой момент, когда они перешли границу изведанного и шагнули в неизвестное. Окончательную проверку они не еще прошли, но, тем не менее, они уже обсчитывают и выдают результаты, которых мы раньше не знали.
Правильно ли я понимаю, что озвучивать любые временные сроки – то же, что пальцем в небо, потому как непонятно, что будет завтра?
Да, любые временные сроки будут пальцем в небо, и, как я говорил, есть же разные аспекты: если вопрос про компьютер, то сегодня уже продан первый так называемый «квантовый компьютер» компании D-Wave. Можно сказать, что уже случилось. Хотя, на самом деле, это не квантовый компьютер, по крайней мере, не полномасштабный квантовый компьютер, У него нет универсальных операций, он умеет решать одну операцию «поиска минимума». В принципе, я начал с того, что квантовый компьютер это какой-то сопроцессор, в этом смысле мы, наверное, можем это простить и сказать: «Ну хорошо, первый вариант квантового сопроцессора». Он, наверное, не совсем квантовый. На сегодня компания утверждает, что сейчас они делают операции достаточно быстро, чтобы когерентность одного бита не разрушалась, но с другой стороны кубит используется достаточно много, чтобы говорить о когерентности в системе не приходилось. Похоже, у них получилось нечто такое неклассическое, но ещё не совсем квантовое, что-то посередине. Тем не менее, похоже, что этот сопроцессор успешно решает задачу поиска минимума на своих 256 или 512 битах и делает это быстрее, чем обычный компьютер такой же мощности. Теперь можно сказать, что в этой области, которая называется «адиабатические квантовые вычисления» (это достаточно новое направление) есть компания D-Wave, которая «подобрала область под себя». И у них получается что-то интересное, получается что-то, чего обычным компьютером мы достичь не можем. Они уже начали продавать эти компьютеры, в основном своим инвесторам, как я понимаю. Тем не менее, развивается некий коммерческий продукт. Здесь, конечно, требуется жидкий гелий, довольно тяжелое оборудование, но этот продукт уже появляется на рынке. Задача поиска минимума не такая редкая, как может показаться, ведь все любят минимизировать свои расходы и ещё что-нибудь, все любят искать какие-то минимумы, и довольно многие формальные задачи можно свести математическим образом к поиску минимума. Над тем, насколько это полезно, сейчас активно работают математики. Т.е. что-то квантовое уже появляется, но чтобы это появилось в каждом компьютере, в каждом телефоне, нужно ещё много времени. Современные компьютеры развивались с 60-х, квантовым тоже потребуется не меньше.
Сначала домашние компьютеры не были нужны всем, но прошло много лет, и они теперь есть у каждого.
Да, начиналось это всё с каких-то огромных компьютеров в сороковых ещё годах, которые использовались при разработке атомных бомб, а сейчас у каждого есть сотовый телефон или персональный компьютер, ноутбук. Но прошло большое время, прежде чем они стали маленькими и компактными. Здесь, наверное, пройдет времени не меньше, но не совсем понятно, когда эту отметку ставить. Сначала появляются какие то более дорогие устройства, бешеной стоимости, какие-то сопроцессоры, которые покупают себе крупные компании. Потом что-то начинает миниатюризироваться. Где мы поставим отметку для современного компьютера? Какой год? Тоже сложно сказать, это происходило постепенно. Когда iPhone появился, когда появился ноутбук, или когда персональный компьютер появился? Когда? Оно все шло от большого к малому. И здесь то же самое. Какие-то разработки, вроде флешки, появились даже опережая идею квантовых вычислений, они уже в нашей жизни. Какие-то сейчас выходят на рынок, например, квантовые датчики. Симуляторы сейчас используются скорее учеными для каких-то фундаментальных разработок, для вычислений, которые нельзя сделать на суперкомпьютере. В относительно недалеком будущем произойдет выход на расчет конкретных материалов.
Сейчас много людей интересуется криптовалютами, это стало популярным. Говорят, что с помощью квантовых компьютеров можно будет взламывать вот эти криптовалюты и даже шифры в банках. Миф это или нет?
Это не миф. Теоретически – да, конечно. Если у вас есть достаточно мощный квантовый компьютер, то, по крайней мере, системы шифрования с открытым ключом можно взломать. С закрытым ключом, я не берусь сказать, – я не специалист по криптографии, но не отрицаю этой возможности. Как часто говорят люди, которые делают квантовые линии связи (а они, по счастью, опережают в своем развитии квантовые компьютеры) никакой беды или глобальной банковской катастрофы не произойдет. Банки здесь – заинтересованные лица, они в это немножко вкладываются. Всегда, когда появляется какой-то инструмент, которым можно что-нибудь сломать, то появляется и какая-то защита (до сих пор было так, что защита неполная). Можно защититься от чего-то, можно придумать новый ключ, но если вы используете квантовые линии связи, то защита может быть только в том, что вы знаете о копировании передаваемой информации. Но скопировать всё равно можно. Если вы с этим сделать ничего не можете, то у вас снова проблема.
Криптография, квантовая и классическая, развивается сейчас очень быстро, поэтому да, если бы квантовый компьютер появился прямо сегодня, то он бы взломал какие-то из существующих сегодня систем шифрования, но те, что будут реально существовать на момент его появления – не факт. К тому же, люди активно обсуждают возможность делать деньги на основе тех же самых квантовых частиц, тем самым быть устойчивым ко всяким возможным взломам – квантовые деньги называется.
Во второй части интервью вы узнаете в чем заключаются основные отличия системы базовых кафедр на Физтехе и в западных вузах и чего, по мнению Алексея Акимова, не хватает в физтеховском образовании.
Светлана Ходукина