«Квантовую гонку выиграет тот, кто сможет справиться с проводами». Физик из Google рассказал о том, как компании удалось добиться «квантового превосходства»

В конце 2019 года физики, работающие в Google, объявили на страницах журнала Nature, что им первыми в мире удалось достичь квантового превосходства — то есть решить на квантовом компьютере задачу, которая не может быть решена даже на самых мощных современных компьютерах традиционной архитектуры. Хотя никакой практический ценности у этого решения не было — единственной целью эксперимента была демонстрация самих возможностей квантовой архитектуры, — это очень большой шаг для отрасли, где, кажется, конкуренция с каждым месяцем становится все острее. Один из авторов работы, физик-теоретик Вадим Смелянский, который недавно был в Москве в ходе короткого визита, организованного ИТФ РАН, рассказал «Медузе» о том, кто сможет выиграть квантовую гонку, куда следует вкладывать деньги государствам, которые хотят в ней участвовать, и что является самым сложным в разработке таких устройств сегодня.

— Эксперимент, в котором вы продемонстрировали квантовое превосходство, был сделан на устройстве новой архитектуры, получившей название Sycamore. Однако раньше мы о ней ничего не слышали, а всего за год до вашей статьи Google сообщала о разработке квантового компьютера под названием Bristlecone, в котором, если я не путаю, было даже больше элементарных единиц — кубитов. Почему все изменилось в последний момент, что стало с Bristlecone и в чем разница между ними?

— Bristlecone никуда не делся, просто было принято решение, что мы сделаем новую архитектуру — такую, где каждый кубит будет связан с другими таким образом, чтобы силой этой связи можно было бы индивидуально управлять. Для этого в новом устройстве есть специальные сопрягающие элементы, «каплеры» (couplers). Собственно, только из-за того, что их все-таки удалось заставить достаточно хорошо работать, и появилась архитектура Sycamore, а вместе с ней и весь этот эксперимент. Однако все подходы к калибровке устройства, к настройке того, как оно должно работать, — вся эта работа не пропала, она перекочевала очень естественным образом из экспериментов на прошлой архитектуре. Я бы сказал, что это естественная эволюция…

— Не результат конкуренции двух разных групп и двух разных архитектур внутри одного Google?

— Нет, это именно эволюция. Без команды, которая делала Bristlecone, мы бы не смогли сделать то, что сделали сейчас. Весь софт и вся система контроля новой архитектуры — она была креативным образом переделана, но Bristlecone был для этого основой.

— Не все приняли ваши заявления о достижении квантового превосходства с большим энтузиазмом. Я имею в виду заявления ваших конкурентов из IBM о том, что на самом деле продемонстрированный на квантовом компьютере эксперимент-симуляцию можно было бы сделать и на обычном суперкомпьютере — и для этих вычислений понадобилось бы всего два дня.

— Да, два дня вычислений — а не 200 секунд, которые занял наш квантовый эксперимент. Есть здесь некоторая разница, согласитесь.

Но вообще на эту тему можно спорить бесконечно. Вы, например, можете пойти дальше IBM и сказать: вот мы можем взять суперкомпьютер, где будет гораздо больше — не 300, а 600 петабайт — оперативной памяти, и за счет этого мы существенно ускорим симуляцию. Но такого устройства у вас нет, и это лишь теоретические рассуждения. Мы же сделали реальный численный эксперимент, а в IBM только указали на теоретическую возможность выполнить его на суперкомпьютере быстрее ожидаемого времени за счет использования большого количества памяти. На это можно ответить в таком же гипотетическом духе: мы тогда добавим к архитектуре еще три кубита — и ваша классическая симуляция потребует уже далеко не двух дней, а гораздо больше.

— Кстати говоря, сколько кубитов все-таки в вашем устройстве? В разных источниках пишут то про 54, то про 53 кубита…

— В архитектуре было заложено 54, но один оказался бракованным.

— А чем в принципе подход IBM при создании квантового компьютера отличается от вашего?

— Прежде всего отличается общий дизайн. Они не контролируют частоты, на которых работают кубиты, они не контролируют интенсивность лазерных полей… Это приводит к тому, что их кубиты являются, как мы говорим, очень «длинными» — то есть они длительное время хранят свои состояния и слабо взаимодействуют между собой. Такая особенность. Соответственно, управляющие схемы, которые они составляют из своих кубитов — гейты, — также оказываются довольно «длинными».

Другое важное отличие — у них довольно большие ошибки в работе гейтов. Ошибки присущи любому квантовому компьютеру, но у нас они сейчас меньше, причем меньше некоторого порогового значения.

— То есть эксперимент, который вы провели, был бы невозможен при той точности, которая есть у IBM?

— Пока невозможен.

— Задача демонстрации квантового превосходства была до сих пор главной задачей всей области. Об этом писали — в том числе и в том духе, что это нерешаемая проблема, — на протяжении многих лет. И вот сейчас квантовое превосходство — это факт. Возникает естественный вопрос: что дальше? Какая самая важная проблема в квантовых вычислениях сегодня?

— Следующая большая задача — это создание в квантовом компьютере метода коррекции ошибок. Это сложно, но без этого двигаться дальше очень трудно.

— Если на уровне физики 11-го класса, что это?

— Мы хотим сделать так, чтобы те ошибки, которые неизбежно возникают в квантовом устройстве, можно было бы там же исправлять. Чтобы, работая в гибриде с классическим компьютером, делая измерения, квантовая система распознавала бы эти ошибки и корректировала. С точки зрения уже достигнутого сегодня уровня спонтанно возникающих ошибок мы довольно близки к решению этой проблемы. Я думаю, нам понадобится еще пару лет. Нужно, чтобы ошибки возникали как максимум в 0,1% случаев, этого значения у нас пока нет — от силы 0,3–0,4%. Но это уже довольно близко к тому, что нужно.

Что касается общей архитектуры, то здесь главная проблема кажется очень сложной. Нам нужно будет как-то справиться с огромным количеством проводов, контролировать возникающие в них тепловые потоки, потому что когда речь идет о миллионе кубит, то возникает много вопросов о том, как это вообще можно будет сделать. Это будет следующая большая задача.

— Погодите, кто говорит о миллионе кубит? Как мы перепрыгнули от 54 штук до…

— Я имею в виду уже следующий, главный большой проект Google — квантовый компьютер с коррекцией ошибок на миллион кубит. У него пока нет названия, это проект. Точнее даже не проект, а направление движения. Ну, или финальная цель такого движения.

— Это очень амбициозные планы, но я не успел спросить вас, зачем поисковой компании вообще нужен квантовый компьютер? Зачем вкладывать в это так много ресурсов?

— Потому что бизнес Google завязан на машинное обучение, а машинное обучение — это почти всегда решение задачи оптимизации, поиск нужного решения в огромном пространстве вариантов. Именно для таких задач квантовые компьютеры идеально подходят, по крайней мере теоретически. Как это будет работать на практике, мы, конечно, не знаем — до реального применения еще очень далеко.

— Несколько лет назад Google купила компанию D-Wave, которая разработала устройство квантового отжига на пару тысяч кубит. Это не вполне полноценный квантовый компьютер, но оно тоже в некотором смысле решает задачу оптимизации. Можно ли его применить для тех задач, которые стоят в машинном обучении?

— К сожалению, нельзя. Его архитектура — и это показано — устроена так, что все, что оно способно сделать, можно эффективно просимулировать и на обычном классическом компьютере. А значит, оно не дает никакого квантового выигрыша в решении задач, о которых мы говорим.

— Может быть, вы слышали, но российское правительство тоже собирается включиться в квантовую гонку. В начале декабря прошлого года было объявлено, что на создание российского квантового компьютера в течение пяти ближайших лет должны выделить почти 50 миллиардов рублей. Кажется, это очень значительная сумма даже для такой большой задачи. Куда должны пойти эти деньги, если у нас вовсе нет такого количества специалистов, которые могли бы грамотно найти им применение?

— Да, в России нет собственного квантового компьютера, но есть много специалистов, которые могут заняться его созданием. Есть хорошие физики из смежных областей, и они могут взять на себя эту задачу.

Такая ситуация не уникальна для России — так происходит сейчас везде. В США тоже вкладываются в это очень большие деньги, то же происходит в Германии и Китае. В Китае, может быть, даже острее: там в программу стимулирования квантовых исследований вложили, по-моему, 10 миллиардов долларов, и сейчас они точно не знают, что с ними делать, и там большие проблемы с этим.

— Если бы вам предстояло это решать, куда бы вы вложили эти деньги?

— Я не знаю, и никто не знает — повторюсь, это общее место. При таком взрывном развитии области все решают одну и ту же проблему — проблему кадров. Это узкое место для всей области.

В целом мне кажется, что сейчас правильнее всего вкладывать все эти деньги в студентов: в образование, в программы обмена опытом. У России есть преимущество в том, что здесь много сильных физиков, в том числе людей, которые занимаются квантовой оптикой, — это может сильно помочь.

— В чем заключается сложная проблема, которую должны будут решать все эти люди? Кажется, что «железо» для квантовых компьютеров довольно примитивное — все эти сверхпроводящие антенны, на которых они работают, известны очень давно. Кажется, что здесь не хватает каких-то прорывов именно в написании «софта» для этого железа.

— Самое сложное здесь — провести провода.

— Не придумать новые алгоритмы, квантовую логику, переключатели?

— Нет, именно провести провода. Чтобы получить на устройстве достаточно большое количество кубитов, нужно знать, как подвести контролирующую электронику, как ею управлять в режиме, когда устройство работает почти при температуре абсолютного нуля, а из него торчат тысячи проводов. Чем больше проводов, тем больше тепловые потери — не понятно, как с этим справиться, как решить эту инженерную задачу.

— То есть квантовую гонку выиграет то государство, у кого есть хорошая инженерная школа и где умеют настроить контроль качества?

— Именно так. Секрет здесь простой: инженерная школа, контроль качества и решение проблемы тепловых потерь.