Об этом рассказывает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации "Росатом" и глава недавно созданной в России Национальной квантовой лаборатории Р. Юнусов.
- Руслан Рауфович, сейчас в мире происходит гонка, которую большинство ученых сравнивает с послевоенными "атомной", "космической" и "лунной" гонками. При этом миллионы людей о ней даже не догадываются. Потому, что речь идет о "квантовой" гонке, а квантовый мир - самая серьезная и фундаментальная область физики, и посвящены в нее немногие. Кто первый создаст универсальный компьютер на квантах - это сейчас вопрос вопросов. 10 самых продвинутых научных центров в США, Китае, Германии, Японии стремятся обогнать друг друга в конструировании, по сути, холодильника высотою 2 метра, внутри которого расположен один-единственный чип размером с ноготь. При этом одни ученые, среди которых немало нобелевских лауреатов, утверждают, что с помощью КК мы вполне способны разгадать большинство тайн мироздания, а другие уверяют, что потолок КК - это расшифровка любой засекреченной информации и создание любых, самых сложных и чудотворных лекарств. Где правда?
- Я однозначно отношу себя к первой группе. Компьютер, использующий в работе законы квантового мира, а они совсем не такие, как в окружающей нас действительности: там все мизерное, кругом лишь атомы, фотоны, ионы - кванты, одним словом - так вот подобный компьютер нам стопроцентно расскажет, кто мы такие во Вселенной, откуда появились, как была создана она сама.
- Кем...
- Вот это вряд ли. Я, будучи студентом, наткнулся однажды на любопытный фантастический рассказ. В нем люди придумали совершенный искусственный разум, и оператор с надеждой спрашивает его: "Есть ли Бог?" Разум отвечает: "Теперь есть". После чего оператор сгорает в электрическом разряде.
Все-таки как была создана Вселенная и кем она была создана - вопросы разного порядка. На первый ответить можно, на второй вряд ли. Он, мне кажется, так и останется лишь вопросом веры.
Биты - убиты
- А вы можете объяснить для профана-гуманитария - в чем главное отличие квантового компьютера от обычного. На пальцах, что называется. Я постараюсь напрячь мозг...
- Давайте попробуем (улыбается). В обычном компьютере вся информация зашифрована в битах. 1 бит - 1 единица информации. А биты, в свою очередь, состоят из одних только нулей и единичек. Все, что содержится в вашем планшете, смартфоне, ноутбуке, тексты, фото, картинки - все зашифровано с помощью единиц и нулей. Которые - внимание! - могут составлять одномоментно лишь одно состояние, пусть даже и сложное. Для 10 битов, например, 1001101010.
В КК вся информация зашифрована в кубитах (к слову "биты" просто добавлена приставка "ку" - от английского слова quantum, что означает "квант"). В роли этих кубитов могут выступать или атомы редкоземельных металлов итербия, тулия, или частицы света фотоны, или ионы - заряженные атомы, "потерявшие" или, наоборот, "приобретшие" один или несколько электронов. Или просто электрические цепи в сверхпроводниках.
Все эти атомы или фотоны в квантовом мире могут быть там и тут одновременно. И единицей, и нулем. Это называется суперпозицией. Обычный компьютер оперирует только одним состоянием. А квантовый... У него возможных состояний 2 в той степени, сколько заложено в нем кубитов. Если кубитов 10, то он одновременно в 1024 состояниях, а если всего лишь 300, то 2 в 300-й степени - это больше, чем атомов во всей Вселенной, можете себе такое представить? КК "соображает" сразу на всех уровнях. Параллельно. Поэтому он всегда будет на голову выше любого обычного компьютера, пусть даже и с приставкой "супер". Можно и дальше углубляться в странные законы квантового мира, например, для КК нужна еще и квантовая запутанность. Слышали про такое?
- Ну, кто ж не знает про квантовую запутанность... Кстати, не так давно ученые из Шанхайского университета представили КК "Цзючжан", который, как они заявили, является на сегодняшний день самым мощным квантовым компьютером. Во время демонстрации он всего за несколько минут решил задачу по отбору проб гауссовских бозонов. Это я цитирую информационное агентство, не пугайтесь моей грамотности... С подобной задачей самый мощный современный суперкомпьютер справился бы только за 2,5 миллиарда лет. Получается - КК уже создан, гонка завершилась?
- Что вы, только начинается. Китайский продукт - это не полноценный, не универсальный квантовый компьютер. Он так называемый симулятор, который предназначен лишь для демонстрации "квантового превосходства". Другими словами, "Цзючжан" делает на публике то, чего никогда не сможет сделать обычный суперкомпьютер, пусть даже с миллионами ядер. В прошлом году, кстати, Google представила свой прототип КК - Sycamore. Китайские ученые сообщили, что скорость вычислений их КК в 10 миллиардов раз выше, чем гугловского. Но последний уже программируется, то есть может решать разные задачи, а китайский нет. Что, конечно, никак не умаляет заслуг шанхайских ученых. К слову, один из руководителей программы, профессор Лю Чаоян сказал, что создание КК - это гонка не между странами, а между человечеством и природой. Очень точное замечание.
Атомный "выстрел"
- А мы на каком месте с хвоста этой гонки?
- Ну, зачем так. В России есть программа, на которую выделено 24 миллиарда рублей. Через три года мы должны создать 100-кубитный прототип квантового компьютера, а также разработать софт и алгоритмы. Задача, конечно, грандиозная. Но выполнимая.
- Вы это серьезно?
- Абсолютно. Иначе бы я просто не руководил "квантовой" программой. Мы уже полным ходом работаем на всех четырех платформах - с атомами, охлажденными почти до абсолютного нуля, ионами, которые захватывают в ловушки лазеры, фотонами, со сверхпроводниками. Что в конце концов "выстрелит", на какой основе будет создан в будущем КК - в мире не знает никто. Поэтому все работают по нескольким направлениям. Китайцы сильны в оптике и сверхпроводниках, американцы - в сверхпроводниках, атомах и ионах, европейцы в атомах и ионах. Наша задача - встать в число лидеров. Начать тоже что-то создавать первыми в области квантовых вычислений. И это нам по силам. Мозги-то в России еще остались, уверяю вас. Знаете, как в теоретической физике ученые шутят? Если на пути исследования встретилась проблема - поройся в книгах русских физиков, они, скорее всего, уже решили ее лет 40 назад.
Чаша Грааля
- Известный итальянский ученый Томмазо Каларко, с которым сотрудничает ваша лаборатория, заявил, что никто в мире до сих пор не знает, как построить универсальный КК. Мы, дескать, даже не можем нормально транспортировать атомы. Руководитель квантовой лаборатории в США, в Гарварде, Михаил Лукин, выпускник, кстати, нашего Физтеха, и профессор Кристофер Монро из университета Мэриленда, напротив, уверены, что он появится в ближайшие 10 лет. Ваш прогноз?
- В ближайшие три года будут созданы прототипы КК, перешагнувшие рубеж в тысячу кубит. Тысячные кубитники намереваются сделать тот же Миша Лукин на "холодных" атомах, Кристофер Монро на ионах, француз Антуан Брауэрс на атомах, компания IBM на сверхпроводниках. Ориентировочно к 2030 г. использовать квантовый компьютер станет экономически выгодно. К этому времени появится и универсальный КК, и мощные квантовые симуляторы. Они будут применяться при разработке вакцин от большинства тяжелых болезней, того же рака, например, а также для создания уникальных материалов с новыми, фантастическими по сегодняшним меркам характеристиками. Это кардинально изменит транспорт, всю нашу жизнь. Если уходить от прогнозов к совсем фантастической футурологии, то когда-нибудь с помощью КК мы поймем, как устроена наша Вселенная и создадим модель новой Вселенной, нового мира. А заодно и новых людей. Вот тут и начнется самое интересное... (смеется).
- Сделаем такие же атомы с ножками, как мы сами. И с большими амбициями, что нехарактерно для атомов, поэтому экзамен на цивилизацию они тоже не пройдут... А можете поделиться своими соображениями по поводу модели Вселенной, загодя, так сказать? Вы же, наверняка, не раз об этом думали.
- Мне кажется, что мы вполне можем существовать в матрице. Эта теория очень хорошо согласуется и с нашей реальностью, и с законами квантового мира. Но так ли это, нам, вполне возможно, расскажет именно квантовый компьютер.
- То есть наш мозг додуматься до модели не в состоянии. Слабоват. Хотя многие ученые считают его чуть ли не самым загадочным объектом в той же Вселенной.
- Видите ли, человеческий мозг изначально не создавался для научных открытий. Его задачей было наладить коммуникацию в социальном обществе - с остальными нашими прародителями, человекообразными обезьянами и т.д. Все гениальные идеи, невероятный креатив, талантливые творческие произведения - для мозга всего лишь побочные явления. Поэтому-то мы и пришли к неизбежности создания КК. Знаете закон Мура, одного из основателей Intel? Что каждые 18 месяцев производительность компьютеров удваивается. То есть за последние 50 лет эта производительность увеличилась в миллиард раз. Транзисторы уже стали размером порядка 10 нанометров, это примерно в 10 раз меньше диаметра частицы коронавируса. Дальше уже фундаментальный предел. А человечеству для разных нужд нужны еще более мощные машины. Что делать? Всю Землю обложить процессорами? Но и тогда мы не получим требуемой скорости вычислений. А КК масштабируется очень быстро, уже со ста кубитами он недостижим для настоящих и будущих суперкомпьютеров.
- Другими словами, КК - это что-то вроде чаши Грааля для современной науки и нашей будущей жизни.
- Именно так.
Бег за лидерами
- Конкуренция в "квантовом" мире жесткая или жестокая?
- Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.
- Дыхалки хватит?
- Честно? Как создать 100-кубитный прототип квантового компьютера к 2024 году - мы понимаем. А вот как выйти в лидеры в этой области - пока нет.
- Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.
- Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого "Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот..."
- Там следующая строчка "...и спекся".
- Мы резвые, с хорошей тренировкой. Сдюжим.