Татьяна Юрьевна Голубева, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики-1, Лаборатория Квантовой Оптики, которая выступила в роли руководителя при создании онлайн-курсов «One-way Quantum Computation» и «Physical Basics of Quantum Computing», а также Сергей Сергеевич Сысоев, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель-практик кафедры системного программирования и автор курсов «The Introduction to Quantum Computing» и «Quantum Computing: Less Formulas — More Understanding», рассказали нам о применении квантовых компьютеров, их отличии от классических, о последних разработках в этой области, а также о команде авторов, работавшей над специализацией «Квантовые вычисления: от основ до передовых технологий» («Quantum Computing: from Basics to the Cutting Edge»).
Специализация «Quantum Computing: from Basics to the Cutting Edge» доступна для записи на международной образовательной платформе Coursera.
— В чем принципиальные отличия квантовых вычислений от классических?
Татьяна Юрьевна: Мы все привыкли, что вычисления — это нули и единицы. Так называемая «двоичная логика» — кодирование информации и дальнейшее манипулирование ее элементами — это манипулирование нулями и единицами. Для квантовых систем все иначе — они одновременно могут принимать любое произвольное значение от нуля до единицы, то есть — бесконечное множество значений. Поэтому объем вычислений, который может осуществить квантовый компьютер, увеличивается в бесконечное количество раз, зависящее от наших возможностей распознавать состояния. Работа с этим массивом идет параллельно. Квантовый объект знает одновременно обо всех состояниях и возможностях, в отличие от обычного компьютера, который выполняет операции друг за другом, последовательно. Квантовый же компьютер имеет дело с физическими объектами, которые в силу своей квантовой природы одновременно находятся во всех квантовых состояниях.
Сергей Сергеевич: Похоже ли квантовое программирование на классическое? И да, и нет. С одной стороны, архитектура квантового компьютера требует использования принципиально новой математической модели. Это позволяет эффективно решать ряд специальных задач, таких как вычисление преобразования Фурье, но некоторые простые для классического компьютера операции, например, сложение, умножение, загрузка входных данных и считывание результата — оказываются сложны, а иногда и трудновыполнимы. Часто требуемый результат очень легко получить в квантовом состоянии, но вот «вытащить» его оттуда, отделить от всех остальных возможных и ненужных результатов и перевести в классическую информацию оказывается невероятно сложно.
С другой стороны, развитие квантовой алгоритмистики идет тем же путем, которым оно шло для классической теории вычислений. Разработанные ранее квантовые алгоритмы оформляются как отдельные блоки — кирпичики для построения более сложных алгоритмов, что делает их использование простым и доступным. Современному программисту не обязательно знать, как на классическом компьютере выполняется умножение или в каком виде хранятся отрицательные числа. Высокоуровневая абстракция языков программирования позволяет легко обходиться без этой информации. В разработке квантовых алгоритмов тоже наблюдается стремление к повышению уровня абстракции. Вполне вероятно, что скоро мы будем использовать, например, алгоритм Гровера для повышения вероятности измерения нужного результата, не задумываясь о том, как он работает.
— Сейчас идет «гонка» по созданию наиболее продвинутого суперкомпьютера, совершающего наиболее быстрые вычисления. Кто на данный момент впереди?
Т. Ю.: Сейчас существуют три гиганта — IBM, Google, Honeywell. Они выполняют квантовые вычисления на разных платформах (на сверхпроводящих кубитах, на ионах), есть еще фотонная платформа, но все вычисления выполняются в основном по одному принципу. Алгоритмически это один и тот же принцип вычислений — схемная модель. Но кроме этой модели существуют и другие подходы. Науке о квантовых вычислениях уже более 20 лет. И СПбГУ, как научной образовательной организации, здесь есть, что сказать.
— Квантовый компьютер универсален?
Т. Ю.: Квантовый компьютер не заменит настольный компьютер, так как имеет другую область применения. Перед ним стоит задача — решать глобальные вопросы, которые сейчас не поддаются численному счету. К примеру, почему мы плохо предсказываем погоду? Потому что очень-очень много параметров. И их невозможно задать обычному компьютеру, так как он просто зависнет. Современным компьютерам потребуются годы на анализ одной точки, а нам надо это знать через два часа. Поэтому, в качестве компромисса, число параметров сокращают, чтобы получить результат через два часа. Соответственно, данные не точные.
В квантовый же расчет можно задать очень много данных — он умеет обрабатывать многопараметрические задачи. Есть вычисления, на которые нужны миллионы лет, а квантовый компьютер анализирует их за секунду. Но квантовый компьютер подойдет не под все задачи.
— Каковы области применения квантовых компьютеров?
Т. Ю.: Одной из областей применения квантового компьютера является шифрование и расшифровка данных. Интернет шифрует данные. А как он шифрует? С помощью открытого ключа, на расшифровку которого требуются сотни лет. Никому нет необходимости расшифровывать их, поэтому эта информация секретна. Если все же в будущем создадут квантовый компьютер, то никаких открытых ключей уже не может быть. Потому что для квантового компьютера секретная информация перестанет быть закрытой. Тогда человечеству придется задуматься о других алгоритмах, других способах шифрования, других способах защиты информации. Это наука — она порождает развитие.
Еще одна область применения — это фармацевтика. Невозможно просчитать химические соединения в лекарствах: побочные действия, особенности и свойства.
Другой задачей квантовых вычислений станут описания процессов и тел, которые будут обнаружены во Вселенной. Мы пытаемся сделать инструмент, который осуществит прорыв в науке и даст нам принципиально новые знания.
— Кто-то уже сделал прорыв? Одно время Google заявлял, что имеет квантовое превосходство.
Т. Ю.: Есть три разные платформы, на которых производятся квантовые вычисления. И их очень сложно сравнивать между собой. У каждой есть свои плюсы и минусы. Ученые знают, что на одной платформе удалось сделать много кубитов — элементов квантового компьютера. Но добавить туда кубиты — масштабировать систему — уже оказалось невозможно. Для небольших вычислений то, что сделал Google уже хорошо. Потому что сейчас они дают доступ к своим квантовым компьютерам. Сейчас все компании, которые реально что-то создали, дают доступ к своему ресурсу. Это интересно, когда студент может не просто абстрактно послушать лекции о квантовом компьютере, а попробовать написать для него компьютерную программу и увидеть разницу расчета на классическом компьютере и на квантовом компьютере. Это превосходно!
— Всем ли программистам необходимо изучать квантовые вычисления?
С. С.: Как уже отметила Татьяна Юрьевна, квантовые вычисления не заменят классические полностью. Пока что прогноз области их применения связан с большими оптимизационными задачами, поиском редких сочетаний параметров, дающих наиболее оптимальное состояние какой-либо системы. Есть ряд результатов, позволяющих надеяться на ускорение алгоритмов линейной алгебры. Кроме того, уже используются на практике некоторые квантовые криптографические протоколы.
Область применения навыков классического программирования значительно шире. Необходимости в обязательной переподготовке программистов нет и, скорее всего, никогда не будет. Тем не менее, составить общее впечатление об этой области полезно всем. Образовательные ресурсы по квантовым вычислениям и средства разработки квантовых алгоритмов становятся со временем все лучше и удобнее. Вот, например, вышла наша специализация. Она позволяет как «пройти по верхам», так и нырнуть поглубже. Ну а если кого-то по-настоящему затянет, то это так и было задумано.
— Расскажите о команде авторов, работавших над специализацией.
Т. Ю.: Наша группа стояла у истоков квантовых вычислений. Когда еще не было термина «квантовые вычисления». Однако онлайн-специализацию создавали главным образом молодые члены команды.
Например, Сергей Королев, автор курса «Однонаправленные квантовые вычисления» («One-way Quantum Computation»), только в прошлом году защитил диссертацию по однонаправленным квантовым вычислениям — это как раз альтернативный подход к традиционной модели. Сейчас он развивает это направление и у него интересные результаты, публикации в престижных физических журналах.
Евгений Вашукевич — голос и лицо наших курсов. Он сейчас занимается кудитами. Есть кубиты — это нули и единицы, а все возможности между ними — это квантовые биты. А теперь мы можем представить то же самое, например, в трехмерном пространстве. Это будет называться уже кутриты. А если еще увеличить размерность пространства, то это уже кудиты. И Евгений как раз занимается таким альтернативным подходом. Чем хороши эти многомерные системы? То, что можно сделать на 53 кубитах, можно сделать всего на 1 кудите. Это может дать преимущество в реализации, когда нужно только одним объектом управлять.
Кирилл Тихонов — автор курса «Физические основы квантовых вычислений» («Physical Basics of Quantum Computing») в этом году стал доцентом, а так — молодой ученый, талантливый физик, руководит исследовательским проектом РНФ. Создание онлайн-курса — это профессиональный рост, мы рассказываем о вещах, которые еще не сформировались до конца, и это очень интересно, это заставляет задумываться и рождает новое знание.
— Specialization «Quantum Computing: from Basics to the Cutting Edge» («Квантовые вычисления: от основ до передовых технологий») — для кого она? Кому бы вы порекомендовали эту специализацию?
Т. Ю.: Наша онлайн-специализация для меня очень дорога как предмет гордости. Она создана на английском языке, так как это уже сейчас стандарт. Владеть английским языком должен каждый, кто в науке. Большинство информации, статей представлены на английском языке. Научные сотрудники уже не пишут по-русски, только по-английски. Специализация, в первую очередь, для тех, кто хочет поглубже узнать тему квантовых вычислений. Студенты прослушали какие-то лекции, а может быть еще не слушали, но хотят вникнуть — мы отправляем их на онлайн-специализацию. Или, другой путь — многие студенты проходят наши онлайн-курсы до того, как приходят к нам в Лабораторию Квантовой Оптики. Сегодня студенты очень умны и точно знают, чего хотят. Поэтому специализация — еще и хороший способ предварительного погружения в тематику. В специализацию входят два курса на начальном уровне. И есть два курса среднего уровня — для людей, которые уже разбираются в данной теме. Последний курс специализации — его аналогов просто нет ни в книгах, потому что эта информация есть только в научных обзорах и статьях, ни в учебной литературе. Важно создавать контент и доносить, что есть не только один проторенный путь, но и множество вариантов.
— Над специализацией работали специалисты из разных областей. Математики и физики по-разному подходят к квантовым вычислениям?
Т. Ю.: Специализация создана группой авторов — физиков и математиков в лице Сергея Сергеевича. До начала работы над материалом мы не знали друг о друге, но эта специализация нас объединила.
И это самое необычное в этих курсах — разные подходы, разные взгляды на одну и ту же проблему. Физики смотрят со стороны реальных объектов, физических принципов, ошибок, а математики — со стороны алгоритмов, осуществления каких-то операций. И это существенное обогащение.
— Были ли сложности при подготовке онлайн-специализации?
Т. Ю.: Готовить образовательный контент вообще тяжело. Это не то же самое, что читать лекции перед аудиторией. Спрессованная информация, где ты должен говорить правильным языком, без заиканий и оговорок. При создании программы с тобой работает целый коллектив создателей. Это и дизайнеры — у них свой взгляд на визуальное представление контента, и с ними надо работать во взаимодействии, а не бороться. Это и методисты, которые решают все вопросы во время работы над курсами. Мы подготовили несколько сотен слайдов. Это большая работа. И очень важно отобрать материал и выбрать, что именно рассказывать. Информации очень много. Нашей целью было рассказать достаточно, но не избыточно.
— Как вы считаете, как долго будет актуальна специализация?
Т. Ю.: Мы не имеем этого прогноза, поскольку мы в начале пути по квантовым вычислениям. Сейчас далекая перспектива еще не видна. Хорошо оценивать, когда у тебя есть хвост событий за спиной. Фундаментальные принципы будут актуальны всегда: что такое единичный квантовый объект, как его можно описывать, какие есть подходы и модели. В физике срабатывает механизм привыкания к новому языку, новой модели вычислений. Сначала кажется, что ничего не понимаешь. Со временем какие-то вещи будут казаться вполне очевидными — выработается привычка использовать этот аппарат.
— Как вы считаете, будущее науки за человеком или за компьютером?
Т. Ю.: Я думаю, что нет такого противопоставления. Квантовый компьютер — лишь инструмент в руках человека, которым он умело или неумело пользуется, чтобы ответить на фундаментальные вопросы или решить глобальные задачи. Компьютер не сам решает начать вычисление, а получает команду для этого действия от человека. Вы пользуетесь ложкой, чтобы есть суп, но от этого суп не становится другим. Поэтому скажу, что будущее за нашим знанием о природе вещей и поиском ответов и новых вопросов.
