Завтра в мире Квантовые компьютеры

Программу "Завтра в мире" ведёт Лариса Катышева.

Тема: "Что такое квантовые компьютеры? Как они работают? Чем отличаются от обычных компьютеров? Когда квантовые компьютеры станут доступны повсеместно? И как это изменит нашу жизнь?"

Гость в студии – Николай Алексеевич Марин, кандидат технических наук, директор по технологиям компании IBM в России и СНГ.

Чем квантовые компьютеры отличаются от обычных компьютеров?

Н. Марин: Принципиально мы привыкли работать с компьютерами, которые работают в бинарной логике. Нолики и единички. И все операции компьютеров происходят в форме логических вычислений. Ложное – истинное, единичка – нолик.

Квантовый компьютер находится во всех состояниях одновременно. То есть, каждая часть квантового компьютера является и нулём и единицей одновременно и отличается лишь тем, с какой вероятностью она находится в состоянии "один" или "ноль". Соответственно, меняется и всё пространство вычислений. Если традиционные компьютеры работают по форме: процессор, он обращается к памяти, он хранит в памяти какие-то данные, то квантовый компьютер хранит всё внутри себя – внутри кубитов.

Кубиты – это такие квантовые биты, которые работают друг с другом. С ними тоже можно осуществлять операции, но они немного другие. Они похожи на традиционные компьютеры. "Но" - "или" - "и", к которым мы привыкли логически, но они работают несколько в иной логике – квантовой логике, в пространстве квантовой механики.

Какие возможности дают эти технологии?

Н. Марин: В первую очередь, это, конечно же, моделирование молекул. Поскольку квантовый компьютер работает в пространстве квантовой механики, он работает как обычная молекула. И чтобы спроектировать поведение обычной молекулы, нужно знать набор её состояний и количество элементов, из которых она состоит. Так вот, количество элементов в степени возможных состояний – это всё многообразие возможных состояний. И если каждое состояние запрограммировать отдельным битом, то это больше информации, чем атомов во Вселенной.

В квантовом компьютере можно делать всё одновременно, поскольку он является сам по себе почти молекулой, просто очень большой. Соответственно, в нём можно моделировать все состояния молекулы, например, кофеина, проектировать новые лекарства, заниматься нефтехимией, придумывать какие-то новые химические элементы на компьютере.

Ну и объясните нам так, чтобы было понятно, скорость квантового компьютера, сопоставляя её с той скоростью, которую может сейчас обеспечить обычный компьютер?

Н. Марин: Принципиально квантовый компьютер не всегда даже работает быстрее традиционного, привычного нам компьютера. Но количество операций, которое нужно для решения определённого ряда задач, в основном, моделирования и проектирования, квантовому компьютеру нужно на десятки порядков меньше. Например, моделирование поведения атома либо декриптографию он выполняет за наносекунды, в то время как обычному компьютеру может на это понадобиться миллионы лет.

Вообще, если говорить о необходимости, которой вызвано создание и такой интерес к квантовым компьютерам, для чего они нам нужны?

Н. Марин: В первую очередь для решения задач, которые мы раньше не могли решить именно потому, что для этого требовалось очень много времени обычным компьютерам.

Это что за задача, к примеру?

Н. Марин: Это задачи, связанные с моделированием поведения молекул, с энергетикой, с атомной энергетикой. Это связано с проектированием новых лекарств, с анализом ДНК, с решением больших задач проектирования в генетике, в химии и т.д.

На практике, если всё это случится, квантовый компьютер мы получим, то можно ли привести какие-то конкретные примеры, какие генетические задачки будут человечеству доступны?

Н. Марин: Например, давно учёные бьются над задачей персонального подбора лекарств. Персонифицированная медицина требует как раз вычисления именно пригодности и применимости того или иного специфичного вида медикамента к конкретному организму. Так вот, эти задачи можно будет решать за секунды и доли секунды.

Разумеется, это борьба с онкологическими заболеваниями, поскольку можно будет придумать, изобрести, спроектировать, а потом реализовать новые формы химических соединений, которые способны влиять на онкологические клетки.

Разумеется, это криптография. Но криптография – это не основная задача, которую поручают сегодня квантовым компьютерам. Криптография с точки зрения повышения безопасности, а не её снижения.

Но квантовые компьютеры ещё не созданы?

Н. Марин: Квантовый компьютер уже создан. Первые эксперименты были произведены с реальным квантовым компьютером в 2002 году. А сегодня существуют несколько квантовых компьютеров, и они применимы для разного рода задач. Тот, который создала наша компания, появился в публичном доступе в виде облачного приложения, доступного каждому, он универсален. На нём можно решать гипотетически задачи любого рода, а не только задачи криптографии и проектирования. А в принципе его можно программировать. Мы создали систему программирования для него, к которой может каждый получить доступ бесплатно и поэкспериментировать с этими самыми кубитами (q-битами).

А в данный момент какие разработки ведутся?

Н. Марин: В основном проектируют новые алгоритмы поиска тех или иных элементов, веществ. Надо сказать, что Россия входит в пятёрку вообще стран, которые в наибольшей степени пользуются нашим квантовым компьютером наравне с США, Японией, Индией, Китаем и другими странами. И это в первую очередь те задачи, которые мы не могли решить раньше, связанные с химией, с криптографией, с поиском эффективных алгоритмов.

Если говорить о будущем, то какое будущее у квантовых вычислений? Через пять-десять лет что нас может ждать?

Н. Марин: Через 5-10 лет  нас вполне может ждать некоторый квантовый компьютер, который будет работать в паре с традиционным компьютером, который мы используем сегодня, для решения особенных задач. Например, который будет способен зашифровывать информацию перед тем, как её отправить, который будет способен вычислить и выбрать то самое лекарство, которое подходит вам в наибольшей степени за доли секунды, конкретно для каждого конкретного пользователя. И, например, компьютер, который сможет анализировать сигналы космических объектов и, собственно, понять, из чего же состоят дальние планеты на основе анализов радиосигналов от них.

А вот сейчас могут студенты, школьники и те, кому это интересно, попробовать себя в качестве программистов квантового компьютера?

Н. Марин: Конечно. Вы набираете в поисковой системе IBM Quantum Experience (IBM Q Experience), регистрируетесь бесплатно, получаете доступ к этой системе. Это реальный квантовый компьютер. Часть задач вы можете запускать на эмуляторе квантового компьютера до 20 кубит, а часть задач вы можете запускать на реальном квантовом компьютере до 5 кубит, которые будут исполняться на реально физически существующем квантовом компьютере.

Сколько у вас уже пользователей?

Н. Марин: Миллионы пользователей. И Россия находится в числе первых пяти. Уже многие пользуются, приглашаем вас, регистрируйтесь, заходите. Это действительно бесплатно и очень интересно.

Но если говорить о доступности квантовых компьютеров в мире повсеместно, не так, как мы любим говорить, что в некоторых точках будущее уже наступило, когда это станет обыденностью? Так чтобы это была обычная рутина?

Н. Марин: Действительно можно вполне ожидать, что в горизонте десяти лет квантовые компьютеры станут повсеместно доступны в виде облачного приложения. Дело в том, что он довольно сложно устроен. Он должен работать при температуре, близкой к абсолютному нулю, чтобы избежать посторонних квантовых эффектов, и в принципе он дорог в обслуживании. Поэтому в основном те квантовые компьютеры, которые строят сегодня, работают по принципу облачного приложения. И можно с уверенностью говорить, что в перспективе 10 лет довольно развитые квантовые компьютеры 20 кубит и больше будут доступны предприятиям и, в принципе, всем и каждому.

И студентам, и школьникам?

Н. Марин: Студентам и школьникам обязательно. В перспективе 10 лет можно с уверенностью говорить о том, что квантовые компьютеры станут доступны предприятиям массово. Уже сегодня у нас готовится коммерческое предложение квантового компьютера на 20 кубит, которое достаточно уникально на рынке. А, наверное, в перспективе 10 лет это станет обыденностью, и квантовые компьютеры станут ещё более развитыми.

Полностью беседу с гостем программы слушайте в аудиофайле.