В апреле этого года в рамках проекта «Коллективные явления в квантовой материи», которым руководит ведущий ученый К.Б. Ефетов, к нам приезжал ведущий международный ученый А.М. Загоскин, ридер по квантовой физике физического факультета Университета Лафборо, Великобритания, один из основателей компании D-Wave Systems Inc. (1999, Канада), которая выпустила первый в мире адиабатический квантовый симулятор.

Наш университет не мог оставить без внимания столь значимое событие. А.М. Загоскин прочитал лекцию, и мы запечатлели это событие, организовали видеосъемку и смонтировали видео, которое можно посмотреть здесь. Данный материал, несомненно, будет интересен целевой аудитории! Также мы не могли упустить такую возможность и попросили профессора поучаствовать в нашей уже традиционной рубрике на GT «Экспертное мнение».

Александр Маркович с радостью согласился написать заметку в научно-популярном формате про квантовые компьютеры и инженерию специально для нашего корпоративного блога на GT. Мы уверены, что именно на GT сконцентрирована большая часть целевой аудитории, которой будет интересен данный материал!

Также завтра мы опубликуем этот материал на нашем портале, где, возможно, между нашими экспертами, молодыми исследователями и автором развернется самая настоящая научная дискуссия. Вероятно, кто-то из уважаемых читателей захочет присоединиться к дискуссии на нашем портале.

Квантовые компьютеры, квантовая инженерия и квантовость

В фантастических романах главное это было радио. При нем ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет.
Илья Ильф, «Записные книжки».

Если в газетной статье о науке встречается слово «революция» или «квантовый», дальше её обычно читать не стоит. Тем не менее, полученные за последние двадцать лет результаты могут со временем оправдать громкий титул «второй квантовой революции».

«Первая квантовая революция» середины прошлого века привела к созданию ядерного оружия и ядерной энергетики, полупроводниковой электроники, мазеров, лазеров и сверхпроводниковых устройств. Без этих технологий современный уровень развития цивилизации был бы невозможен. Тем не менее, они опираются на простейшие квантовые эффекты, — том смысле, что их удаётся описать небольшим числом переменных даже когда в них участвует макроскопическое число частиц. Так, квантовая теория твёрдого тела оперирует в основном одно- и двухчастичными функциями Грина. Хорошим примером служит сверхпроводимость: несмотря на её существенно квантовый характер и то, что в сверхпроводящий конденсат входит макроскопическое число электронов, обычный сверхпроводник хорошо описывается единственной «волновой функцией» координаты и времени. Поэтому во все «странности» квантовой теории вовлечено микроскопическое число степеней свободы.

В основе «второй квантовой революции» лежат более хрупкие эффекты – такие, как квантовая запутанность на макроскопических дистанциях и квантовая суперпозиция макроскопически различных состояний. Разумеется, в квантовой теории нет запретов на их существование, что и иллюстрирует знаменитый кот Шрёдингера. Однако до относительно недавнего времени, во-первых, их реализация оставалась практически невозможной, а во-вторых, поэтому считалась неактуальной. Копенгагенская трактовка с её принципиальной (хотя и неизвестно где проходящей) границей между микро- и макромиром вполне справлялась с делом.

Положение начало изменяться после того, как Фейнман подчеркнул, что принципиально невозможно эффективно моделировать квантовые системы с помощью классических компьютеров — просто потому, что размерность соответствующего гильбертова пространства экспоненциально растет с размером системы. Это не противоречит достижениям квантовой теории поля, теории твердого тела и т.д. – успех был достигнут именно в тех задачах, которые удавалось свести к одновременному рассмотрению относительно небольшого числа степеней свободы. (Например, когда поведение макроскопической квантовой системы описывается в терминах почти идеального газа квазичастиц, и корреляции выше второго-третьего порядка малосущественны.)

Работа цифрового квантового компьютера существенно использует как раз такие состояния квантовой системы, с которыми классические методы расчета не справляются. Это и вызвало интерес к их экспериментальной реализации, несмотря на значительный скепсис со стороны даже таких людей, как Тони Леггетт, получивший Нобелевскую премию 2003 года за основополагающие работы в области теории макроскопического квантового туннелирования и суперпозиций. Действительно, «кошачьи» состояния вида |0000…0>+|1111…1> очень хрупки по сравнению с факторизованными ПJ (|0>+|1>)J. Исследование механизмов и скорости их разрушения («проблема квантово-классического перехода») продолжается, неожиданно превратившись из довольно отвлеченного полуфилософского раздела оснований квантовой механики чуть ли не в инженерную дисциплину. Но главное то, что такие состояния оказались гораздо устойчивее, чем ожидалось, и что до сих пор не появилось никаких экспериментальных указаний на их фундаментальный запрет.

В результате с конца прошлого века был достигнут такой прогресс в изготовлении и контроле искусственных существенно квантовых структур – начиная с отдельных сверхпроводящих кубитов и до нынешних дивэйвовских процессоров,- что теория отстала. Нынешние теоретические и вычислительные методы не позволяют предсказывать, анализировать и симулировать поведение таких структур.

Под «существенной квантовостью», за отсутствием лучшего термина, я понимаю существование в системе в каждый момент времени достаточно большого числа степеней свободы в состоянии квантовой суперпозиции. Вектор квантового состояния такой системы «живет» в очень большом гильбертовом пространстве. Такой вектор в общем случае не просимулируешь и не измеришь. Уже сотня кубитов – практически предел. Недаром когерентное квантовое поведение в дивэйвовских процессорах удалось непосредственно продемонстрировать только для группы из примерно десятка кубитов, для которой можно было и измерить квантовое состояние, и построить количественную модель, с которой сравнивали результаты измерений. Поведение пятисот – или тысячекубитного процессора приходится характеризовать по косвенным результатам: по виду статистики удачных и неудачных попыток найти основное состояние системы при случайном выборе её параметров.

Таким образом, даже если и нет фундаментального запрета на существование сколь угодно больших «котов», и в принципе можно создать универсальный квантовый компьютер, который в состоянии эффективно моделировать поведение больших существенно квантовых систем, дорога к нему пока перекрыта. Квантовые системы, которые всё ещё можно моделировать существующими методами, слишком малы и – в качестве универсального квантового компьютера — неработоспособны. А сконструировать систему достаточно большого размера мы не сможем, потому что нельзя предсказать или охарактеризовать её поведение. Тем более, что эта система будет достаточно сложной, и задача её конструирования, изготовления, характеризации, отладки и эксплуатации – это уже инженерная задача. Необходимо создавать квантовую инженерию.

Одно из определений инженерии – это создание надёжных конструкций из ненадёжных элементов. В нашем случае появляются совершенно новые уровни ненадёжности из-за пресловутой хрупкости «кошачьих» состояний, которую нельзя компенсировать дублированием систем или проверкой отдельных элементов конструкции. Стандартные инженерные методы недостаточны. Но общий инженерный подход с его ориентацией на результат, использованием прикидок, феноменологических оценок, эвристики и интуиции, привычкой к необходимости удовлетворять несовместимым требованиям, может оказаться плодотворным там, где расчёт из первых принципов невозможен.

Инженерию можно условно разделить на инженерию элементарных единиц, инженерию структур и инженерию систем. Применительно к нашей области, первая из них касается отдельных квантовых битов, их небольших массивов и соответствующих контрольных цепей. Здесь, в общем, всё понятно – теория хорошо проверена на эксперименте для самых разных реализаций этих устройств. Последняя должна заниматься интегрированием квантовых и неквантовых устройств в больших системах – и это пока ещё не актуально, потому что отсутствует среднее звено. Структурная инженерия, по определению, занимается предсказанием свойств конструкции исходя из свойств её структурных элементов. Именно этого мы пока и не можем сделать даже для уже существующих структур, и именно здесь и необходимо сосредоточить усилия.

Разумеется, ни «квантовоинженерная интуиция», ни квантовая инженерия не могут развиться иначе, как на основе регулярного применения квантовой теории к разработке и испытанию новых существенно квантовых устройств. Универсальный квантовый компьютер – не единственное и, по-видимому, не самое интересное и полезное из таких устройств. (Хотя он – точнее, пугающая перспектива его создания и использования для расшифровки RSA-кода — и сыграл ключевую роль в привлечении внимания и денег к этой области исследований.) Более реальны, например, квантовые оптимизаторы вроде дивэйвовских – в сущности, аналоговые устройства, своего рода квантовые логарифмические линейки, настроенные на достаточно точное решение ограниченного, но важного, класса задач. Интересны квантовые метаматериалы – искусственные среды с достаточной степенью квантовой когерентности, с предсказанными забавными свойствами и возможным применением в качестве сенсоров или для обработки изображений. Словом, человечество найдёт, какие орехи колоть этими королевскими печатями. Главное – это постараться их сделать. А успех в создании и применении существенно квантовых устройств будет той самой общественной практикой, которая критерий истины и которая даст больше для нашего понимания квантовой теории, чем любое количество университетских лекций и, тем более, популярных книжек и телепрограмм.

Сейчас важность этой тематики постепенно получает признание. После первоначальной шумихи и раздутых ожиданий и нескольких лет закономерного охлаждения и скепсиса последовал подъём. Его признаки – недавно выделенные на квантовые технологии 250 миллионов фунтов в Великобритании, только что обещанный миллиард евро в Евросоюзе, вложения таких инвесторов как «Гугл» и НАСА в «ДиВэйв Системз», пресс-конференция премьер-министра Канады в исследовательском институте, на которой он (коротко и неправильно) объяснил журналистам, как работает квантовый компьютер, и т.д. и т.п. Интерес финансистов, бизнесменов, политиков и военных понятен, хотя – как всегда – и выгоды, и неприятности от принципиально новой технологии будут лежать не там, где их ждут.

Что касается опасностей, то главная угроза квантовых «технологий второй волны» для, например, мирового финансового сектора заключается вовсе не в том, что кто-то начнет массово взламывать коды, чтобы переводить деньги с чужих счетов или воровать экономические секреты. Главная угроза – и для её осуществления даже не нужен универсальный квантовый компьютер – в том, что станет возможным оперативное управление глобальной экономикой в режиме реального времени, что попросту ликвидирует весь финансовый сектор за полной ненадобностью.

upd:

Что же до выгод, то, например, никакой алгоритм Гровера не сможет разгрести завалы информационного мусора, в котором тонет мир (от себяшек на «Фейсбуке» до направленных на улучшение качества научных исследований и высшего образования прозрачной отчётности, глобальных рейтингов и прочего «sharing best practice»), если не сократить генерацию этого мусора. Возвращаясь к эпиграфу – никакая технология сама по себе не решает проблем человечества и не приносит ему счастья. Главная выгода, как всегда, будет заключаться в расширении и углублении нашего понимания законов природы.