Госкорпорация «Росатом» недавно объявила, что начинает работать над созданием российского квантового компьютера. Компьютера пока нет, а программное обеспечение для него уже готовится. Его разрабатывает научно-исследовательская группа под руководством американского профессора, специалиста по квантовой физике Джейкоба Биамонте в Сколковском институте науки и технологий (Сколтех).
Фото: Из личного архива
Фото: Из личного архива
— Джейкоб, вы работаете в Сколтехе с 2017 года. Чем конкретно вы занимаетесь?
— Моя научная группа разрабатывает алгоритмы для квантовых компьютеров, как самостоятельно, так и в коллаборации с российскими и иностранными партнерами. Мы занимаемся подготовкой программного обеспечения для квантовых компьютеров и работаем над квантовыми вариационными алгоритмами, которые на данном этапе мне кажутся наиболее многообещающими.
— Как работает вариационный алгоритм?
— Квантовый вариационный алгоритм — это алгоритм, использующий обратную связь с классическим компьютером, за счет которой удается минимизировать ресурсы, используемые квантовым компьютером, и сократить время вычислений.
— Их уже можно использовать?
— Да. Квантовые вариационные алгоритмы работают уже сейчас на квантовых симуляторах, а на квантовых компьютерах будут работать еще быстрее. Возможно, вы слышали, недавно Google опубликовала статью о работе 54-кубитного квантового вычислителя. Смысл ее такой: проводилось исследование на предмет того, можно ли симулировать на обычном компьютере вычисления, произведенные на квантовом компьютере. И в Google заявили: чтобы произвести вычисления, на которые квантовому компьютеру потребуется несколько минут, на классическом компьютере уйдет 10 тыс. лет. Google показала, что получение такой случайной последовательности невозможно при симуляции большого числа квантовых вычислительных операций на классическом компьютере, но никакой практической задачи решено не было.
— В чем же достижение?
— Квантовый компьютер создал некую кривую, график. Чтобы понять и расшифровать этот график, классическому компьютеру потребуется 10 тыс. лет. С практической точки зрения действие бессмысленное, но этот график может быть построен на квантовом компьютере в течение очень короткого времени при помощи серии квантовых операций. И моя группа как раз ломает голову над тем, что же такое происходит за это короткое время, что классические компьютеры оказываются не в состоянии симулировать.
— Но алгоритм ведь должен где-то существовать, на каком-то носителе?
— Существуют два подхода к использованию алгоритмов: агностический, то есть отрицающий необходимость конкретного устройства, и, напротив, создание специфических алгоритмов специально под вычислительное устройство. То есть алгоритмы как таковые — понятие абстрактное. Это некий способ реализации идей на компьютере. Мы делаем квантовые алгоритмы, которые могут быть использованы в любых ситуациях. Они на будущее, так сказать, на вырост, когда, возможно, появится универсальный квантовый компьютер.
— А как вы тестируете свои алгоритмы?
— В Сколтехе есть мощный суперкомпьютер под названием Жорес (назван в честь академика Жореса Алферова.— «Ъ-Наука»). На нем были реализованы некоторые из квантовых алгоритмов. Для этого квантовый алгоритм сначала переделывали таким образом, чтобы его можно было использовать на классическом компьютере. Это называется симуляцией. Кроме того, мы выходим и на реальные квантовые компьютеры в Америке, в Канаде через удаленный доступ, где тоже тестируем некоторые приложения. Кстати, свой квантовый компьютер есть в МГУ. Он оптический, на основе света с определенными квантовыми свойствами.
— Существует ли какая-то теоретическая база для вашей работы?
— Большинство математических инструментов, которыми мы пользуемся, были разработаны еще в 1950-х годах. Это так называемая классическая математика. Иногда мы используем современные теоремы, а порой наша работа вдохновляет математиков работать над задачами, которые нам интересны. Но математики, как и физики, боятся работать там, где нет теории. А у нас теории как раз и нет, теории квантовых вариационных алгоритмов не существует как таковой. Физик скажет: ну тогда это не физика! Но что такое физика? Это когда ты берешь что-то, для чего не существует теории, и создаешь ее. Моя группа — лучшая в мире в применении того типа математики, который максимально подходит для разработки наших продуктов — квантовых алгоритмов.
— А что в будущем сможет делать квантовый компьютер?
— Например, перед ним можно будет поставить задачу оптимизации транспорта. Квантовые компьютеры очень быстрые и легко решают задачи в режиме реального времени. Можно было бы, допустим, придумать какие-то очень умные светофоры. Или взять, например, метро. Почему не ввести такую игру, чтобы цена билета менялась в режиме реального времени. Представьте себе: метро становится биржей, где цена билета меняется интерактивно, на основе обратной связи, потому что метро получает данные о своей загруженности. Когда метро на каком-то конкретном участке несильно загружено, пассажиры получают скидку на билет. Но тут нужно иметь данные не только от метро, а от всей транспортной системы. Чтобы такая модель работала, требуется как можно больше данных — в такой задаче может оказаться до 2 млн переменных. Это должно быть элегантное решение, которое будет работать в режиме реального времени и обрабатывать огромное количество переменных. Проводить такие вычисления на современных компьютерах невозможно, но при помощи квантового компьютера будет вполне осуществимо, и обратная связь на транспорте в режиме реального времени может оказать большое влияние, например, на Москву.
— Ваша группа внесет свой вклад в такие решения?
— Понимаете, мы университет. Мы занимаемся фундаментальной наукой. Конечно, у Сколтеха более промышленный фокус, чем у большинства других университетов, но мы не создаем стартапы. Мы выбираем какие-то маленькие, но важные частные вопросы, относящиеся к квантовым алгоритмам, и очень внимательно их исследуем. Стараемся понять, где алгоритм дает сбой, что он не может сделать. Когда к нам приходят компании и говорят: мы хотим, чтобы квантовый компьютер решал дифференциальные уравнения, то мы исследуем этот запрос и отвечаем: да, это возможно. Но я ученый до глубины души, и моя главная задача — это понять, что именно алгоритму не по силам. В этом и заключается разница между академическим и промышленным подходом.
— Но коммерческие компании могут пользоваться вашими достижениями?
— Да. Стартапы, которые учреждаются в Москве, начинают взаимодействовать с нашей группой, появляются компании, которые нанимают наших студентов, и мы постепенно начинаем влиять на развитие квантовой индустрии в России.
— Вы работали в США и Канаде и можете сравнивать их научно-исследовательские институты и Сколтех. Вам нравится здесь работать?
— Это первоклассный исследовательский институт. На самом деле он не такой большой, 140–150 научных групп. И это по-своему хорошо, потому что он достаточно мал, чтобы можно было знать весь научный коллектив лично, и достаточно большой, чтобы работать здесь долгие годы. Думаю, Сколтех окажет долгосрочное влияние на Россию. Это достойное место.