Мы то и дело слышим, что эра активного использования квантовых вычислений не за горами, что такие системы скоро станут доступны специалистам, в том числе аналитикам данных.
Но как долго нам действительно придется ждать? Научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров знакомит с ситуацией и рассказывает, как обстоят дела с разработкой квантовых компьютеров.
Под катом — стенограмма и часть слайдов Алексея.
Добрый день всем.
Хочу поблагодарить организаторов.
Раз квантовые технологии стали темой обсуждения в таком формате, значит, эта тема воспринимается и начинает звучать на достаточно высоком уровне.
Такие компании, как «Яндекс», являются лидерами ИТ-индустрии, и здорово, что квантовые технологии появляются в их повестке дня и в сфере их интересов.
Это своего рода глобальная тенденция.
Я очень рад, что мы сегодня выступаем здесь.
Я работаю в Российском квантовом центре и представляю команду, которая в рамках Российского квантового центра занимается разработкой ИТ-продуктов.
Квантовый центр начинался как фундаментальный научный институт, но очень быстро в процессе развития начал заниматься прикладными исследованиями в области квантовых технологий, одна из них — квантовая криптография, проект, в котором мы участвуем.
И наши спикеры - я, Евгений, Максим, Николай - мы все представляем эту команду, поэтому будем рады не только формально поговорить на заявленную тему, но и взаимодействовать с той точки зрения, что наши интересы достаточно сильно пересекаются.
Мы будем рады ответить на любые вопросы в области квантовых технологий, не ограничиваясь квантовыми компьютерами.
Я поместил эту картину на центральный слайд. Знаете ли вы, что это за символ?
Это статуя, расположенная рядом с Франкфуртской фондовой биржей и олицетворяющая две стратегии игры на рынке: длинную и короткую.
Квантовый компьютер является краеугольным камнем квантовой технологии, и теперь к его разработке присоединяются не только государство как основной инвестор фундаментальных исследований, но и IT-компании и крупные производители информационных технологий.
В этом смысле они играют на прибыль, вкладывая много денег и сил в разработку квантового компьютера, поскольку видят в нем некую новую возможность для революции в информационных технологиях.
И главный посыл моего доклада — почему квантовые технологии и квантовый компьютер — это очень круто, и почему это не просто интересная и красивая идея, а действительно дает огромные возможности для развития всей IT-индустрии.
Что я, как человек, проводящий большую часть времени за изучением физики, слышал от программистов и IT-специалистов? Я слышал о следующих тенденциях.
Мы часто слышим о большом количестве новых стартапов или проектов существующих компаний, таких как Интернет вещей, машинное обучение, большие данные и информационная безопасность.
Эти тенденции звучат повсюду, они задают поводы для новостей, но за ними, помимо красоты алгоритмических решений, красоты математики, красоты программирования, стоит настоящее аппаратное обеспечение.
И это железо уже квантовое.
Если мы посмотрим на тенденции развития квантовых технологий, а не информационных технологий, то сейчас это переход от управления коллективными квантовыми явлениями, лежащими в основе таких устройств, как транзисторы и лазеры, к управлению отдельными квантовыми свойствами.
Грубо говоря, лазер – это управление большим количеством световых частиц, большим количеством фотонов, а сейчас мы научились управлять светом, атомами, материей на уровне отдельных микроскопических элементов.
Эта тенденция наблюдается из года в год, появляется все больше экспериментов и предложений, использующих законы квантовой физики уже на уровне отдельных фундаментальных частиц материи.
И здесь для меня самое восхитительное то, что это исходит не просто из желания изучать фундаментальную науку, но и востребовано технологическими тенденциями.
Квантовые частицы позволяют построить компьютер, который будет быстрее решать свои проблемы.
Квантовые компьютеры позволяют строить системы связи, лучше защищенные от подслушивания.
Квантовые технологии позволяют создавать сенсоры меньшего размера.
И все это лежит в основе таких приложений, как GPS, будущие медицинские датчики, новые материалы, востребованные в тенденциях информационных технологий.
Все технологически успешные страны сейчас активно развивают квантовые технологии.
В эти исследования вкладываются огромные деньги, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий.
Если вернуться к истории, то мы все помним космическую гонку между СССР и США.
В квантовой гонке участвуют не только государства, но и частные компании.
В общей сложности Google, IBM, Intel и Microsoft за последнее время вложили около $0,5 млрд в разработку квантовых компьютеров и создали крупные лаборатории и исследовательские центры.
Квантовые технологии интересны еще и тем, что предполагают определенный формат исследований, где фундаментальная наука очень тесно связана с прикладными исследованиями.
Вот карта мировых квантовых центров, которые являются точками компетенции и точками роста.
В 2011 году на этой карте появился Российский квантовый центр, который я представляю.
Это фундаментальный научный институт, который превратился в экосистему, где сосуществуют фундаментальные исследования и стимулируют развитие прикладных технологий.
Однако сегодня мы говорим о квантовом компьютере, и в рамках этой лекции мне хотелось бы создать некоторый контекст, позволяющий понять, почему квантовые компьютеры вообще интересны и необходимы.
Здесь мы представляем известный закон Мура, выражающий определенную тенденцию роста производительности существующих компьютеров.
Мы знаем, что компьютеры с каждым годом становятся все мощнее, но за этим стоит сокращение элементной базы, ее миниатюризация.
Благодаря нашему прогрессу в создании транзисторов мы можем создавать их еще меньше и упаковывать еще плотнее на единицу площади.
Но, конечно, у этой тенденции есть фундаментальный предел.
Это связано с физикой.
Вряд ли нам удастся создать транзистор размером в один атом.
Для этого необходимо как минимум несколько атомов.
Насколько мне известно, самый маленький транзистор в мире состоит из семи атомов.
Однако, если закон Мура сохранится в прежнем виде, то в 2020 году нам придется создавать компьютеры с одноатомным транзистором.
И это кажется невозможным.
Что вы можете сделать здесь? Повысить производительность можно с помощью других технологий, за счет облачных вычислений, распараллеливания и придумать некую элементную базу, которая позволит максимально приблизиться к пределу закона Мура, то есть создать самый маленький в мире транзистор.
Это очень крутая задача.
Однако даже если мы очень близко подойдем к закону Мура, у нас все равно возникнут проблемы, которые классический компьютер решает очень плохо.
Не мне среди айтишников об этом говорить, но приведу примеры нескольких задач.
Первая — это проблема поисковой оптимизации.
На классических компьютерах ее можно решить довольно плохо.
Второе, самое близкое и важное для меня – моделирование сложных физических систем.
Например, используя моделирование из первых принципов, очень сложно смоделировать какую-то достаточно сложную физическую систему.
Это требует огромного количества ресурсов.
Существуют различные прикладные задачи, которые широкой публике кажутся весьма далекими от практики, например, факторизация.
Однако всем известно их фундаментальное значение для различных технологий.
И даже если мы приблизимся к пределу закона Мура, мы не сможем решить подобные проблемы.
Конечно можем.
Но это займет много времени.
Я хотел бы иметь физическую систему, которая позволит мне решать эти проблемы более оптимальным способом.
Оказывается, оно существует и возникает в контексте квантового компьютера.
Такую интересную идею я подсмотрел в нобелевских лекциях Андрея Гейма, одного из создателей графена.
Он рассказал о том, как ему пришла в голову идея провести исследование графена с помощью мысленных пузырей.
Он о чём-то услышал, это как-то обработалось в его голове, и когда он накопил достаточно пузырей мыслей, ему пришла в голову мысль, что работать над двумерным углеродом и графеном было очень интересно.
Я считаю, что три мысленных пузыря привели к концепции квантового компьютера.
Первый.
Непонятно, что делать с вычислительно сложными задачами.
Действительно ли нам всегда будет сложно моделировать какую-либо физическую систему? Или правда, что задача факторизации простых чисел не имеет достаточно эффективного классического алгоритма? Второй момент более физический.
Оно связано с изучением вопроса о том, какие ограничения накладывает на процесс вычислений квантовая физика как одна из наиболее точных физических теорий.
Например, Ричард Фейнман и Чарльз Беннетт изучали вопрос о том, какое минимальное количество энергии или тепла выделяется при выполнении одной элементарной операции.
Можно ли создать компьютер, который будет одновременно самым производительным и самым энергоэффективным? Как создать самый маленький компьютер? Третий вопрос больше касается математики.
Оно связано с изучением вопроса о том, какие интересные свойства приобретает теория информации, если перейти от описания классических объектов в классической теории вероятностей к описанию квантовых объектов, к квантовой теории информации.
Изображенная здесь банкнота иллюстрирует идею квантовых денег.
Это одна из первых концепций, предполагающая использование некоторых практических информационных технологий.
Дело в том, что если создавать банкноты, подлинность которых обеспечивается за счет создания особых квантовых состояний, то в силу специфических свойств квантовых систем такие банкноты невозможно подделать.
Второй портрет здесь — портрет нашего соотечественника Александра Холево.
Он известен во всем мире как создатель одной из фундаментальных теорем — теоремы о квантовой информации или теоремы Холево.
Здесь, у основания квантовой теории информации, нам есть чем гордиться.
Российские исследователи поддерживают добрую традицию интересных публикаций и интересных результатов в этой области.
Что дает квантовая физика? Какие интересные выводы и приемы он имеет, которые могли бы быть полезны с точки зрения теории информации или будущих вычислений?
В классическом мире мы привыкли думать, что если у нас есть состояние какой-то физической системы, то оно должно чем-то однозначно определяться.
Если у нас есть точка в пространстве, то мы знаем, что система находится в этой точке пространства.
В квантовой физике такое понятие ввести невозможно.
Дело в том, что квантовая система, если ее не наблюдать, находится в суперпозиции всех возможных состояний.
В частности, если у него есть два действительных состояния, «орел» и «решка», то, пока мы не измерим это состояние, он одновременно является и «орлом», и решкой.
И только измерение дает нам гарантированный ответ о том, в каком состоянии находится система.
До измерения система находится в состоянии суперпозиции.
Второе свойство — это свойство квантовой запутанности.
В квантовом мире частицы могут проявлять очень сильные корреляции, то есть их свойства могут быть очень сильно связаны между собой, даже если эти частицы достаточно удалены в пространстве.
При объяснении понятия квантовой запутанности часто приводят пример мысленного эксперимента, когда у нас была какая-то частица со спином 0, она распадается на две частицы, одну мы оставляем в нашей лаборатории, вторую отправляем в Туманность Андромеды, и, Измерив спин первой частицы, мы обязательно узнаем спин частицы в Туманности Андромеды.
Это в некотором смысле проявление свойств квантовой запутанности, сильных квантовых корреляций, которые могут быть полезны с вычислительной точки зрения.
Третье – хрупкость.
Квантовые состояния довольно хрупкие по сравнению с классическими.
А процесс измерения – это и есть процесс возмущения.
Вопрос в том, происходит ли этот процесс возмущения детерминированно.
Это одна из ключевых задач на пути создания квантовых технологий.
Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой, с одной стороны, будут достаточно хорошо взаимодействовать друг с другом и в то же время будут достаточно хорошо защищены от окружающей среды, которая может их разрушить.
Еще одним интересным аспектом является теорема о запрете клонирования.
Это теорема о запрете.
Если в квантовом мире существует произвольное квантовое состояние, заранее неизвестное, то его невозможно скопировать, в отличие от классической информации.
Если есть классический сигнал, вы всегда можете его скопировать.
В квантовом мире произвольное квантовое состояние невозможно скопировать.
И в этом радикальное различие между квантовой информацией и классической информацией.
На чем основана концепция квантовых вычислений? В принципе, можно в определенной степени абстрагироваться от сложных законов квантовой физики и представить себе концепцию квантовых вычислений следующим образом.
Система битов, знакомая нам по классическим компьютерам, заменяется системой кубитов.
Это двухуровневая квантовая система или система типа «голова-хвост», когда возможны два состояния, и до момента измерения система находится в суперпозиции: одновременно в этом состоянии и в том состоянии с некоторой вероятностью.
Все биты, которые у нас есть, заменены кубитами.
Все логические элементы классических процессов заменяются квантовыми процессами, а результат вычислений получается посредством измерений.
Таким образом, в квантовом компьютере можно обрабатывать сразу все возможные варианты реализации, то есть подавать на вход не один бит, не ноль или единицу, а все возможные комбинации — и выполнять все операции над этой суперпозицией.
.
В результате получается своего рода квантовое состояние.
Измерьте его и получите ответ. По сути, на концептуальном уровне это вся концепция квантовых вычислений.
Биты заменили кубиты, классические операции заменили квантовые, в результате мы получаем то, что нужно измерить, многократно измеряем и получаем ответ. Вот из чего можно сделать кубиты.
Дело в том, что кубиты могут состоять из огромного множества различных физических систем.
Мы привыкли, что бит кодируется уровнем напряжения.
В квантовой физике существует множество физических систем.
Это и частица света, и частица материи, и ядерные спины, и твердотельные системы, которые могут находиться в таком интересном состоянии суперпозиции.
Они имеют различные преимущества и различные недостатки.
Вот ключевой на сегодняшний день факт: никто до конца не понимает, на какой физической, элементной основе в конечном итоге будет построен квантовый компьютер.
Есть уверенность, что в число лидеров входят так называемые твердотельные системы или системы со сверхпроводящими кубитами, но около месяца назад было проведено соревнование между двумя квантовыми компьютерами, построенными на разных физических принципах, и оно не выявило какого-либо радикального преимущества одна система превосходит другую.
Некоторые системы лучше масштабируются, другие легче контролировать, третьи лучше защищены от декогеренции, от процесса взаимодействия с окружающей средой.
Для целей этой лекции давайте ограничимся двумя возможными картинками.
Во-первых, это поляризация света.
Нетрудно представить, что частица света представляет собой очень простую двухуровневую физическую модель, и она очень популярна в другом приложении квантовой технологии: в так называемых квантовых коммуникациях.
Вторая картинка — спин.
Вращение может быть вверх или вниз, это кубит. Пока мы не измерим, это состояние суперпозиции.
Плюс-минус одна секунда.
То, что я уже упомянул, — это интересный процесс, возникающий в результате квантовых вычислений.
Возникает новое квантовое состояние.
На вход подавалась некая суперпозиция нуля и единицы и с ней выполнялось множество процедур.
Результатом является суперпозиция нуля и единицы.
Чтобы получить ответ, нам нужно провести измерение, и сделать это нужно много раз.
Квантовые вычисления включают в себя повторную подачу на вход ранее известного квантового состояния.
На нем проводится процедура преобразования и затем измерение.
И измерение в конечном итоге дает ответ. Эта процедура квантовых измерений довольно сложна.
Это холиварная тема даже для специалистов в области квантовой физики.
Обратите внимание, что у нас на сайте N+1 есть постоянная рубрика «Квантовая азбука», и там мы обсуждаем такие тонкие вопросы, в том числе вопросы квантовых вычислений.
Зачем нам все это? Что нам поможет квантовый компьютер, какие интересные возможности он нам даст? К чему все это столпотворение с заменой битов на кубиты, заменой логических операций и конечных результатов вычислений? Что это дает? Это дает преимущества в целом классе задач.
Самая интересная для меня проблема, которую хорошо решает квантовый компьютер, — это задача факторизации дискретного логарифма, поскольку она лежит в основе систем с асимметричной криптографией.
И каждый раз, когда мы покупаем что-то в Интернете, информация о нашей кредитной карте шифруется с использованием алгоритмов асимметричной криптографии, криптографии с открытым ключом.
Они, в свою очередь, основаны на таких задачах, как дискретный логарифм и факторизация простых чисел.
И в этом смысле квантовый алгоритм Шора является важнейшим и интереснейшим примером квантового алгоритма, поскольку он решает практическую задачу экспоненциально быстрее, чем классический компьютер.
В этом смысле квантовый компьютер представляет собой угрозу существующей инфраструктуре информационной безопасности.
Как только он появится, любая система распределения открытых ключей, основанная на таких задачах, может быть взломана.
С одной стороны, это плохо, это может привести к революции, а квантовый компьютер часто называют информационной бомбой XXI века.
Но с другой стороны, на данный момент особо волноваться не стоит, ведь алгоритм Шора требует универсального квантового компьютера, способного решить любую алгоритмически сформулированную задачу, а это очень сложно.
Да, это дает огромные преимущества, но именно из-за того, что квантовые системы хрупки к внешним воздействиям, очень сложно создать систему из достаточно большого количества кубитов, чтобы осуществлять над ними все операции, а затем измерения.
Квантовый компьютер, чтобы обеспечить, например, системы взлома с асимметричной криптографией, должен иметь достаточное количество кубитов, работающих в таком квантовом режиме.
И это требует создания эффективных методов управления этими квантовыми системами.
Сегодня об универсальном квантовом компьютере скажет Евгений Киктенко конкретно в контексте алгоритмов.
Какие алгоритмы интересны для квантового компьютера с прикладной точки зрения? А Максим Ануфриев — с точки зрения решения задачи машинного обучения на универсальном квантовом компьютере.
Универсальный квантовый компьютер — сложная проблема, и это очень важно понять.
Нет даже четкой оценки времени, когда оно появится.
В этом году вокруг этой темы много ажиотажа, даже вышел первый номер журнала Nature, одна из статей - «Квантовые компьютеры выпрыгивают из лабораторий» с прогнозом, что уже в 2017 году появится какой-то коммерческий квантовый компьютер.
может появиться компьютер, способный решать действительно полезные задачи.
Более того, прогноз настолько оптимистичен, что якобы появится полноценный универсальный коммерческий квантовый компьютер для решения практических задач.
Хотя это очень спорный вопрос.
Экспертные оценки варьируются от 5 до 25 лет. И в этом смысле очень сложно сказать, когда действительно возникнет квантовый компьютер.
Квантовый компьютер, который уже существует, был построен компанией D-Wave. Он хорош для решения очень узкого класса задач, интересных сегодня: задач машинного обучения и искусственного интеллекта.
Такой компьютер очень легко масштабируется, но он не работает полностью в квантовом режиме и не может решить любую сколь угодно заданную задачу.
Он обеспечивает ускорение только в определенном классе задач за счет очень интересного механизма, о котором сегодня и идет речь.
скажет Николай Пожар, именно в контексте обучения не универсальному квантовому компьютеру, а на примере D-Wave. Существует еще один тип квантового компьютера, называемый квантовым симулятором.
Он предназначен для решения еще более специфического класса задач – конкретно для моделирования других типов физических систем.
Перспективы здесь довольно большие — например, по поиску высокотемпературных сверхпроводников.
Это материалы, которые могут проводить электрический ток без потерь при комнатной температуре.
Пока теория таких систем известна только для очень низких температур.
Есть экспериментальные исследования, которые внезапно обнаруживают некоторые материалы, проводящие ток при разных температурах, например, при -100 градусах Цельсия.
Однако полной теории высокотемпературных сверхпроводников не существует, поскольку это вычислительно сложная проблема.
Квантовые симуляторы призваны воспроизвести некоторые свойства таких физических систем и дать некоторые подсказки, в каком направлении можно искать такие материалы.
Но симуляторы также не являются универсальными квантовыми компьютерами.
Как я уже говорил, IT-компании уже инвестируют в исследования в области квантовых компьютеров.
Очень крутой пример — Google, который просто переманил на сверхпроводящие кубиты Джона Мартиниса, одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений.
Джон Мартинис управляет несколькими направлениями одновременно.
Один из них — создание полноценного универсального квантового компьютера.
Другой вариант — изучить существующий квантовый компьютер D-Wave и найти задачи, в которых он дает преимущество.
Кстати, Джон Мартинис будет в этом году конференция Российского квантового центра .
Будет открытая лекция, на которой он сможет рассказать все о квантовом компьютере, который разрабатывается в Google. Еще один крупный игрок — IBM. Недавно они анонсировали свою открытую онлайн-платформу для запуска пятикубитного квантового компьютера.
В этом смысле писать программы для квантового компьютера может кто угодно, но, конечно, его возможности ограничены тем, что кубитов довольно много.
Другими игроками на этом рынке являются Microsoft и Intel, и у них есть шанс создать антропологический квантовый компьютер.
Из-за декогеренции, из-за того, что окружающая среда вносит ошибки в процесс квантовых вычислений, часть ресурсов квантового компьютера приходится тратить на их исправление.
Топологические квантовые системы избегают этого.
На данный момент это очень фундаментально сложная научная концепция, за которой стоит довольно много интересной математики.
Это очень далеко от какой-либо практической реализации на данный момент. В частности, предсказанные топологические состояния материи, представляющие интерес с вычислительной точки зрения, еще не наблюдались экспериментально.
Однако фундаментальные исследования влияния топологий на физику были удостоены Нобелевской премии в 2016 году.
Весьма интересен следующий факт: мы привыкли к тому, что классический компьютер — это, по сути, одна и та же система, твердое тело, отвечающее за все его функциональные возможности.
И память, и расчет мы осуществляем, по сути, на одной элементной базе.
Однако квантовый компьютер позволяет создать так называемую гибридную систему, которая возьмет лучшее от природы, от различных форм квантовой материи.
Например, известно, что в настоящее время процессоры лучше всего создаются с использованием сверхпроводящих кубитов.
Все интерфейсы, все, что позволяет квантовым компьютерам и их различным элементам взаимодействовать друг с другом, может быть построено с использованием фотонов — частиц света.
Это лучший агент для передачи информации.
Конечно, в процессе расчета иногда требуется сохранить промежуточные результаты и затем проводить с ними дальнейшие операции.
Наилучшую производительность с точки зрения хранения квантовых состояний демонстрируют атомные системы.
Поэтому квантовый компьютер — это большая и интересная фундаментальная проблема, которая позволит нам объединить, взять лучшее от природы и построить максимально привлекательную, производительную и интересную гибридную систему.
На данный момент нашей основной деятельностью является работа не над квантовым компьютером, а над системой квантовой связи в рамках проекта QRate. И мы будем рады поговорить о квантовых коммуникациях.
Квантовые коммуникации — это щит, позволяющий защититься от меча квантового компьютера и создать систему распределения ключей, сила которой не зависит от вычислительных ресурсов злоумышленника.
Спасибо за внимание.
Теги: #квантовые вычисления #Исследования и прогнозы в ИТ #квантовый компьютер #закон Мура #квантовая криптография #квантовые алгоритмы #кубиты #d-wave
-
Нгфв. Часть 3 – Демонстрация Защиты От Ddos
19 Oct, 24
