От 20 кубитов к 70

Квантовый компьютер уже сегодня стоит в лаборатории, доступен через облако, и исследователи запускают на нем свои алгоритмы удаленно. Вопрос лишь в том, когда он начнет решать задачи быстрее или дешевле классических машин,— и здесь, по оценкам физиков, речь идет о пяти—семи годах.

Путь от первой пятикубитной ионной машины в 2016 году до нынешних 70 кубитов потребовал не только новых физических идей, но и десятков инженерных решений: от ультрастабильных лазеров и ионных ловушек до системы адресации, позволяющей обращаться к конкретному иону в длинной цепочке. О том, чем ионная платформа отличается от сверхпроводниковой, сколько кубитов нужно для коммерчески ценной задачи и почему главный барьер — не техника, а непонимание того, какие задачи стоит «квантовать», «Ъ-Наука» поговорила с Ильей Семериковым, научным сотрудником Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, внешним исследователем Российского квантового центра, лауреатом Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» в номинации «Перспектива».

Разговор состоялся в рамках серии научно-популярных лекций — проекта Фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов. На лекции в Екатеринбурге Илья Семериков рассказывал о пути квантового компьютера от научной идеи до продукта. В интервью мы обсудили, как за год удалось перейти от 20-кубитной машины к 50-кубитной (а сегодня в ней уже 70 кубитов), зачем нужны кудиты и кукварты, какие отрасли уже экспериментируют с облачным доступом к квантовым вычислениям — от финансов и фармы до логистики и материаловедения — и почему квантовый компьютер, вопреки завышенным ожиданиям,— не магическое устройство, а вычислитель, требующий очень квалифицированного подхода.

— С одной стороны, квантовый компьютер, который стоит в нашей лаборатории, имеет облачный доступ и уже сегодня исследователи запускают на нем свои алгоритмы удаленно. Но на сегодня это, конечно, исследовательские задачи. В этом смысле квантовые компьютеры уже выполняют алгоритмы и являются реальностью. То, чего всем нам хотелось бы,— это чтобы квантовый компьютер смог решать задачи быстрее или дешевле, чем существующие классические машины. И вот это очень непростая задача. Существующие классические компьютеры очень хорошие и развивались уже на протяжении 100 лет. Для примера можем посмотреть на развитие другого подхода к ускорению вычислений — нейросетей. Первое железо — графические ускорители (еще и с использованием всех наработок классических вычислений) стало появляться в конце 1980-х — начале 1990-х годов и сразу использовалось для проведения «классических» алгоритмов. Первые победы нейросетей над классическими алгоритмами произошли приблизительно в 2012 году. Однако расцвет нейросетевых подходов произошел только после появления достаточно мощных ускорителей NVIDIA серии A100 в 2020 году. Итого от первого железа до первых прикладных успехов где-то 20 лет. Для сравнения, первый пятикубитный ионный квантовый компьютер, на котором можно было запускать какие-то алгоритмы, появился в 2016 году. Если скорость разработки будет такая же, то первых практических успехов с использованием квантовых вычислений можно ожидать на горизонте пяти—семи лет. Но стоит помнить, что в квантовых компьютерах в отличие от нейросетей мы почти не можем использовать достижения кремниевой электроники — приходится разрабатывать совершенно новые технологии. Возможно, кстати, это приведет к возникновению боковых веток.

— На сегодня в нашей машине уже 70 кубитов. И за этим результатом стоит очень много и физики, и инженерии. Чем больше кубитов в вашей машине, тем больше возникает требований к автоматизации, надежности каждого из узлов. С другой стороны, именно в ионной машине с увеличением числа ионов в одной цепочке возникает усложнение колебательного спектра, что заставило нас построить отдельную теорию для оптимизации проведения двухкубитных операций на таких длинных цепочках. Также значительно увеличиваются вклады различных паразитных эффектов, которые приходится измерять и компенсировать.

Отдельно хочется отметить, что вообще возможность перейти к таким длинным массивам у нас возникла благодаря архитектуре, которую мы заложили в нашу машину изначально. Причем на момент начала работ такая архитектура была новой в мире — остальные группы использовали другие переходы для управления квантовыми состояниями, другие лазеры и пространственные модуляторы. Если бы мы строили тогда как все, то уперлись бы приблизительно в 40 кубитов. И еще одна важная особенность нашей архитектуры: мы используем многоуровневые квантовые системы — кудиты, эту технологию в мире применяют считаные группы. В нашем случае это кукварты — четырехуровневые квантовые системы. Кукварт позволяет кодировать 2 кубита в одном ионе, а использование кудитной парадигмы упрощает реализацию некоторых алгоритмов. За это большое спасибо нашим коллегам из Российского квантового центра.

— На самом деле нам пришлось решить не одну, а несколько десятков задач. И без любой из них это был бы не компьютер, а просто экспериментальная установка. В первую очередь мы научились делать хорошие ионные ловушки — сердце ионного квантового компьютера; потом нам основательно пришлось поработать над нашим ультрастабильным лазером — ключевым элементом для управления квантовыми состояниями, снижая его фазовые шумы; потом собрать систему адресации на основе акустооптических дефлекторов, которая позволяет обращаться к конкретному иону в цепочке из десятков ионов, а затем научить все эти системы работать вместе. Возможно, последнее и было самой сложной задачей.

— Сейчас это в первую очередь государство и крупные технологические компании, для которых квантовые вычисления — вопрос стратегической компетенции. В России координатором «дорожной карты» «Квантовые вычисления» выступает «Росатом», и, наверное, на сегодня это наш основной заказчик.

Из отраслей, которые уже сегодня экспериментируют с облачным доступом, я бы выделил четыре. Финансы — оптимизация портфелей, риск-моделирование, задачи Монте-Карло. Химия и фарма — моделирование молекул и реакций, это исторически первая прикладная задача Фейнмана. Логистика и оптимизация — комбинаторные задачи большой размерности. Материаловедение и энергетика — поиск новых катализаторов, материалов для аккумуляторов, сверхпроводников. Плюс оборонные и криптографические применения, о которых публично говорят меньше. Но подчеркну: сейчас это этап совместного поиска — заказчик приносит задачу, мы вместе разбираемся, есть ли в ней квантовое ускорение. Основная задача сегодня — выстроить мосты между лабораториями и бизнесом.

— Принципиальное отличие заключается в физике: сверхпроводниковый кубит — это макроскопическая нелинейная электрическая цепь на чипе, которую нужно охлаждать до температуры в десятки милликельвинов. Она изготавливается литографией, и каждый экземпляр чуть-чуть отличается от соседнего. Ионный кубит — это отдельный атом, идентичный любому другому атому того же изотопа. Он удерживается электромагнитным полем в вакууме и управляется лазерами.

Каждая платформа обладает своими достоинствами. Так у ионов времена когерентности на порядки длиннее, очень высокая точность двухкубитных операций и полная связность — любой кубит может взаимодействовать с любым. Однако скорость операций в ионах значительно ниже. У сверхпроводников — наоборот: быстрые гейты, но короткая когерентность, несколько ниже точность операций и жесткая топология связей.

Отдельно хотелось бы отметить, что в этом году Google начал разработку собственного квантового компьютера на основе нейтральных атомов, что указывает на то, что натуральные атомы становятся более популярными в сравнении с искусственными.

Почему мы выбрали ионы? С одной стороны, по историческим причинам — до квантовых компьютеров наша группа занималась оптическими часами на одиночном ионе иттербия. С другой стороны, на сегодня мощность квантовых компьютеров ограничена в основном точностью двухкубитных операций, и ионы по этому показателю — мировые лидеры. Также ионная платформа очень хорошо подходит для использования кудитов. Я считаю, что кудиты — технология, которая окажет существенное воздействие на алгоритмы коррекции ошибок, а это, в свою очередь, ключ к масштабируемому, а значит, полезному квантовому компьютеру.

— Тут нужно различать два числа. Первое — физические кубиты сегодняшнего «шумного» поколения: здесь оценка — несколько сотен высококачественных кубитов с достоверностью двухкубитных операций выше 99,9% могут дать преимущество в задачах квантовой химии и оптимизации на специально подобранных примерах. Но для действительно значимого эффекта нужно реализовать логические кубиты с коррекцией ошибок. Для наиболее широко дискутируемых приложений — например, разложения больших чисел по Шору или точного моделирования катализаторов — нужны тысячи логических кубитов, и там все уже упирается в алгоритмы коррекции ошибок. Последние работы показывают, что можно обойтись десятками тысяч физических кубитов для решения таких задач.

— Это сильно зависит от платформы. Например, в случае сверхпроводящей платформы время когерентности в основном связано с выбором материалов и качеством изготовления чипа. В этой платформе увеличение времени когерентности — одна из наиболее актуальных и критичных задач. Совсем недавно исследователям удалось преодолеть барьер в 1 миллисекунду. В ионах задача со временем когерентности в целом не такая сложная. Основные источники декогеренции у нас — шумы магнитного поля, конечное время жизни возбужденного состояния, ограниченное время когерентности возбуждающего лазера в случае оптического кубита. До недавнего времени мы использовали относительно короткоживущее состояние для кодирования кубита. Его время жизни составляло приблизительно 53 миллисекунды. Это и ограничивало нашу когерентность. В этом году мы переходим на микроволновый кубит и уже продемонстрировали время когерентности на уровне 2 секунд. Для ионов это не рекорд, но больше не является ограничивающим фактором для нас. Дальше — борьба за достоверность двухкубитной операции. Чуть сложнее дело обстоит с кудитами, но и там нам удалось подобрать схему кодирования, нечувствительную к флуктуациям магнитного поля. Так что при грамотном использовании преимуществ конкретного иона проблему когерентности можно обойти.

— Мне вообще нравится делать вещи, которые работают. А это во многом задача инженерная. У нас вообще принято немного недооценивать инженерию в научном сообществе. Людям больше нравятся новые, прорывные результаты. Но физический эксперимент сегодня становится сложнее с каждым днем, и, чтобы работать на мировом уровне, нужно очень много времени и внимания уделять инженерии. Все компоненты компьютера должны работать не только на грани физически возможного, но и без отказов. Переход от инженерии к стартапу — следующий логичный шаг. Ключевой вопрос на этом шаге: какую ценность мы создаем для потребителя? На сегодня мне кажется, что стартапы по квантовым вычислениям в мире дают потребителю компетенции и перспективу. Но я думаю, что нам всем еще нужно как следует поработать в части науки и инженерии, чтобы от ценности перспективы и компетенции добраться до ценности прямой.

— Все перечисленные проблемы актуальны по-своему. Я не возьмусь сказать, какая из них наиболее острая. С одной стороны, квантовые алгоритмисты — товар штучный. Их немного как в мире, так и в особенности в России. При этом для обучения таких специалистов обязательно необходима практика на реальном железе. Потому что требуется четкое понимание ограничений и возможностей конкретного компьютера. При этом те компьютеры, которые есть сегодня, практического превосходства не обеспечивают, а значит, для бизнеса это работа на перспективу. Такие работы обычно довольно тяжело идут. С точки зрения оборудования на сегодня квантовый компьютер — вещь достаточно дорогая, но бизнесу и не нужно покупать компьютер. К нашему вполне можно подключиться удаленно через облако.

А вот непонимание, какие задачи «квантовать»,— действительно очень важная проблема. Дело в том, что квантовое ускорение есть у вполне определенных классов задач и требуется серьезная совместная работа алгоритмистов и отраслевых экспертов, чтобы найти в реальных бизнес-процессах те ядра, где квантовый компьютер даст выигрыш. Плюс есть проблема завышенных ожиданий: квантовый компьютер часто воспринимается как магическое устройство, способное решить любую вычислительную проблему. Но, как и любой вычислитель, квантовый компьютер требует очень квалифицированного подхода.