Мир на квантовом уровне значительно отличается от привычного окружающего нас мира. Там работают другие физические законы — и люди учатся их использовать. Сверхидея квантовых технологий в том, чтобы решить задачи, которые человечество не просто не решило, но еще даже не сформулировало. В месяц энергетики будущего, каким объявлен октябрь в рамках Года науки и технологий, Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» и глава Национальной квантовой лаборатории, рассказал РБК, когда в каждом доме появятся квантовые компьютеры и зачем нужны холодные атомы.

Пример того, что может делать квантовый компьютер — это задача коммивояжёра. У вас есть сто посылок и их нужно отвезти по ста адресам. Как выбрать оптимальный маршрут, чтоб было быстро и максимально дешево? Хотя задача звучит просто, но даже суперкомпьютеры не позволяют их решить сегодня быстро и точно. Для такого рода задач квантовый компьютер и нужен, потому что в отличие от последовательных вычислений классических компьютеров, он просчитывает все варианты сразу.

Еще пример: нужно просчитать огромное количество параметров, чтобы открыть новое лекарство. Как это сделать? Руслан Юнусов объясняет, что «…мы должны построить молекулу, узнать ее свойства, и если эти свойства хорошо решают задачу, например, борются с вирусом ковида, то мы добились успеха. Но вариантов этих молекул их не то что много, — их поразительно много, и перебирать их на обычном или суперкомпьютере не получится. Квантовый компьютер в ближайшие 10-15 лет начнет решать такие задачи в разных областях».

Юнусов предлагает сравнить потенциал квантовых компьютеров с обычными, которые начали разрабатывать в 40-е годы прошлого века. Был ряд задач, которые нужно решить: например, взломать коды шифрований нацистской Германии или запустить ракету в космос. Однако когда эти задачи были решены, исследователи осознали, что компьютеры обладают огромным потенциалом: например, при их создании никто не думал про индустрию видеоигр.

Специалисты считают, что в случае с квантовым компьютером со временем горизонт возможностей расширится и человечество научится делать вещи, о которых пока не имеет представления.

Если настоящий искусственный интеллект и будет создан, то на квантовом компьютере: на классических, пусть даже и суперкомпьютерах, обучение ИИ длится долго, дорого стоит и дает слабые результаты. Квантовые алгоритмы должны изменить это в корне.

Специалисты по всему миру ищут способы обучать искусственный интеллект на квантовых компьютерах. Российские исследователи не исключение: в 2020 году Госкорпорация «Росатом» и Российский квантовый центр (РКЦ) объявили о создании первой в стране лаборатории по исследованию и разработке методов обучения ИИ на квантовых компьютерах. «Сперва, — рассказывает Юнусов, — мы увидим ускорение обучения и работы искусственного интеллекта. А это ускорение работы может привести к новым качественным эффектам. Жизнь покажет. Но мы точно будем делать системы, которые работают быстрее».

Большая часть данных, которые собирают сегодня компьютеры по всему миру, не анализируется. Просто потому, что данных слишком много. Квантовый компьютер может справиться с этой проблемой. «Можно будет оптимизировать трубопроводные системы, — объясняет Юнусов, — чтобы эффективнее передавать нефть; можно оптимизировать расписание электричек или финансовые портфели. Куда не посмотри — открывается очень много возможностей».

Идею квантового компьютера сформулировал нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман. Такое устройство будет использовать необычные свойства квантового мира, например — суперпозицию. Это означает, что фотон или электрон одновременно может находиться в двух состояниях: волны и частицы. Сложно понять, как это может быть, ведь мы привыкли к миру классической физики, его мы наблюдаем вокруг невооруженным взглядом: предмет может быть только в одной точке пространства. На квантовом уровне все иначе.

Еще одно свойство квантового мира — это запутанность. Например, две частицы появляются в результате распада одной частицы, но дальше они физически не взаимодействуют, никаких сил между ними нет. Тем не менее их состояние взаимосвязано, параметры даже удаленных друг от друга частиц коррелируются. Если меняется состояние одной частицы, сразу же поменяется состояние и второй.

«Свойство взаимосвязанности частиц в суперпозиции, — рассказывает Юнусов, — позволяет нам объединить их в систему, которая находится в состоянии суперпозиции. Что это значит? Допустим, есть сто частиц, сто кубитов (наименьшая единица информации в квантовом компьютере, аналог бита в обычном компьютере, — прим. РБК), каждая из которых одновременно равняется нулю и единицы. Получается, система равна двум в степени сто состоянии. Это уже очень большое число, которое не сможет смоделировать никакой суперкомпьютер».

«Суперкомпьютер, — продолжает Юнусов, — решает задачи последовательно: сначала одним способом, потом другим, третьим. Одновременно работают десятки тысяч процессоров, чтобы обрабатывать одновременно десять тысяч состояний, ну, или сто тысяч — в зависимости от количество ядер. Но квантовый компьютер может сразу обрабатывать миллиарды параметров. Поэтому на решение задачи ему понадобятся минуты, а суперкомпьютеру — долгие-долгие годы».

По мере развития технологии квантовых вычислений разрыв с классическими процессорами будет нарастать. И не в разы, а экспоненциально: он сможет обрабатывать и триллионы состояний, а, значит, решать задачи, которые просто невозможны для суперкомпьютера.

Сегодня специалисты на начальной стадии разработки квантовых компьютеров, поэтому пока речи о том, что они появятся в каждом доме, не идет. Но уже сейчас есть достижения в этой области. В 2019 году Google смогла достичь «квантового превосходства»: квантовый компьютер компании решил за 200 секунд задачу, на решение которой, по словам представителей корпорации, самому современному суперкомпьютеру потребуется 10 тысяч лет. Правда, в компании IBM, которая владеет самым мощным суперкомпьютером планеты, заявили, что эту задачу можно было бы решить за 2.5 суток. И тем не менее разрыв с квантовыми вычислениями все равно колоссальный: 200 секунд против 216 тысяч.

«Часто я слышу вопрос, — рассказывает Руслан Юнусов, — а как будет выглядеть квантовый компьютер? Домой его можно поставить или холодильник для этого нужен? Ответ на этот вопрос не очевиден, поскольку зависит от той платформы, на которой будет построен процессор. Для того, чтобы система работала, нужна очень низкая температура, потому что тепловые шумы разрушают состояние тока, необходимое для квантовых вычислений. Современные квантовые процессоры работают при температуре 10 миликельвинов — это почти абсолютный ноль. Такой компьютер не получится просто поставить на рабочий стол, ему нужна специальная холодильная установка».

Есть альтернативные технологии, но и они требуют особых условий. Квантовый компьютер может работать на ионизированных атомах, каждый из ионов — это кубит. С помощью подачи напряжения определенным образом ионы застревают в электрическом поле, но это возможно только в вакууме. Соответственно, нужна вакуумная камера и система, которая сможет записывать и считывать состояние ионов.

Похожая технология — квантовый компьютер на холодных атомах. Они тоже находятся в вакууме, но держатся не с помощью электрического поля, а благодаря решетке из пучков лазера. Вычисления тоже происходят с помощью лазера. «Это похоже не на привычный нам компьютер, а на сложную лабораторную установку» — комментирует Юнусов.

Под сложностью систем для квантовых вычислений, по словам Юнусова, имеется в виду сложность настройки максимально точных параметров. «Лазер, который мы используем, совсем не похож на тот, что используется, например, в лазерных указках. В квантовом компьютере должен быть супер точный лазер с точки зрения длины волны. Только тогда он сможет точно взаимодействовать с атомом. Сейчас основная задача состоит не в том, чтобы упаковать это в компактный корпус и продать, хотя коллеги занимаются и этим. Сейчас нужно научиться максимально точно настраивать все параметры — тогда можно будет делать операции с меньшим количеством ошибок. Можно будет использовать большие массивы кубитов и решать более сложные задачи».

Если вы купите компьютер, на котором нет программного обеспечения, то такая машина просто не включится. Поэтому даже для самого точного оборудования нужен софт, который позволит управлять кубитами, записывать и считывать информацию. Дальше это нужно превратить в язык алгоритмов и в программный код.

«Всем этим мы занимаемся в Росатоме, — говорит Юнусов. — Мы нацелены на то, чтобы построить облачную платформу с доступом к квантовому компьютеру. Это позволит людям, которым необходимы квантовые вычисления, буквально в браузере записать свою задачу, которая будет решена в облаке».

Развитие технологий породит множество новых профессий. Нынешние школьники и студенты будут заниматься вещами, о которых наверняка не знают ведущие специалисты. «Наша миссия, — говорит Юнусов, — показывать ребятам как устроен мир. Чтобы они знали, что кванты — это не что-то невозможное, а суперпозиция — это закон нашего мира. Ты начинаешь жить с этой информацией, и потом тебе приходит в голову идея как это использовать. Мы уже сейчас работаем со школьниками, у нас есть кафедры в институтах. Со школьных лет человек должен представлять, что мир квантовый. Ведь он же квантовый! Почему мы должны сначала учить, что мир классический, а потом переучивать и говорить: «Нет, ребята, мы вам 10 лет одно рассказывали — забудьте. На самом деле все по-другому».

Проект Росатома Нomо Science нацелен на то, чтобы больше людей узнало об этом. Но речь не только про атомы и кванты. На платформе Homo Science собраны научные и технологические знания из разных сфер, которые объяснены простым и понятным языком. Росатом запустит видоэксплейнеры, курсы и коллаборации с популяризаторами в актуальном сейчас формате. В 2021 Homo Science вышел за пределы интернета: так, с 18 по 21 августа в Нижнем Новгороде проходил Фестиваль науки «Homo Science». Обсуждали Big Data, биохакинг, искусственный интеллект, параллельно с этим проходили DJ-сет, танцевальный перфоманс, хип-хоп фристайл и интеллектуальные игры.

Росатом дал возможность старшеклассникам почувствовать себя в роли молодых ученых, первооткрывателей. В августе победители конкурса «Ледокол знаний» отправились на атомном ледоколе в образовательную экспедицию на Северный полюс, а уже в октябре стартует новый сезон конкурса: школьники снова поборются за возможность принять участие в образовательной экспедиции в 2022-м году.

Нomо Science — не просто проект, это открытая площадка и движение людей думающих, интересующихся, то есть людей будущего. Это место, где наука и познание превращаются в настоящее приключение. И каждый homo science может стать его частью.