Команда IBM — о первом квантовом «облачном» компьютере. В январе 2019 года IBM представила первый в мире коммерческий квантовый компьютер IBM Q System One. Написать собственную программу и запустить ее на устройстве может любой желающий — компания разместила технологию в открытом доступе на облачном сервисе.

Как это работает, можно ли поиграть в морской бой на квантовом компьютере и почему человечеству стоит готовится к квантовой революции через десять лет? Об этом корреспондент Indicator.Ru поговорил с участником команды IBM Джеймсом Вуттоном.

— Основная задача при создании квантового компьютера — найти баланс между количеством кубитов и стабильностью всей системы. Почему вы остановились именно на 50 кубитах, почему не меньше и не больше?

— У нас еще есть три установки на пять кубитов, которые доступны онлайн, еще одна на 16 кубитов. Мы решили сделать упор на 50 кубитах, потому что захотели исследовать двумерные структуры – в которой кубиты как бы расположены на сетке и «разговаривают» со своими соседями. Тут нужно понять, как такая структура должна работать и как ее использовать. Система на 50 кубитов стала отличным тестовым устройством для этого.

— Существует несколько вариантов физической реализации кубитов. Что такое кубит в компьютере IBM?

— Мы делаем кубиты с помощью осцилляторов. Если взять осциллятор, который подчиняется законам квантовой физики, он может иметь не любую энергию, а только конкретные дискретные значения – уровни. Мы берем только два нижних энергетических уровня и используем их как ноль и единицу. Наши осцилляторы – это электрическая цепь из сверхпроводников. С помощью микроволн мы управляем ими и контролируем переход с одного уровня на другой – то есть управляем кубитом.

— Как защитить эту квантовую систему от внешнего воздействия? Как добиться, чтобы она была устойчивой?

— Да, это большой вопрос, и главная проблема тут – температура. Она может влиять на уровни энергии, так что нам нужно всегда охлаждать систему. Как я уже сказал, мы используем сверхпроводники. Возникает вопрос, почему бы не использовать те из них, которые сохраняют свои свойства даже при относительно высоких температурах (обычно подразумевается показатель около 30 К). Но даже в этом случае температура все равно будет влиять на уровни энергии, так что для нас это неприменимо. Нам приходится охлаждать систему до 50 мК. Только так мы можем избежать влияния температуры. Также нам нужно изолировать систему от электромагнитных полей, потому что мы управляем нашими кубитами с помощью микроволн. Все, что может пойти не так, обязательно пойдет не так, если не охладить систему.

— Каким вы видите ваш проект через пять-десять лет? Какова ваша цель, мечта?

— Мы сейчас на очень интересном этапе – нам нужно понять, как проводить вычисления, несмотря на постоянный фоновый шум в системе, который возникает, как бы мы ее не защищали. Как этого достичь – интересная задача с точки зрения физики. Было бы здорово решить ее в течение следующих пяти лет. А в более долгосрочной перспективе хотелось бы найти такие структуры, которые позволили бы и вовсе избавиться от шума. Над этой проблемой мы бьемся уже несколько десятилетий.

Еще мы работаем над системой, которой мог бы пользоваться кто угодно, для которой не нужно быть знатоком квантовой физики, делать сложные математические выкладки, а можно просто ее использовать, писать программы и смотреть, как они работают. Как сейчас это происходит с обычным программированием.

— Многие скептически настроены по отношению к квантовым компьютерам, к тому, что однажды это будет реально применимой и, главное, целесообразной технологией. Каков ваш ответ скептикам?

— Сейчас легче всего применять квантовый компьютер для задач, близких к физике самого устройства, то есть, в основном, для ученых: для тех, кто, например, хочет изучить химические свойства молекул. Это в ближайшей перспективе. А в дальнейшем квантовые компьютеры можно будет применять для все тех же задач, что и обычные компьютеры. Думаю, многие будут использовать квантовые вычисления на различных облачных сервисах. Причем многие даже и не будут понимать, что используют квантовый компьютер, потому что это будет интегрировано в привычную среду.

— К слову об облачных сервисах. Вы подключили квантовый компьютер к облаку и сделали его доступным для всех. Почему и зачем было принято такое решение?

— Облако для нас — это необходимость. Потому что это же не Raspberry Pi (одноплатный компьютер размером с банковскую карту), который мы можем отправить любому за 20 долларов. Для всех высокопроизводительных вычислительных устройств облачные сервисы — естественная среда обитания. Я, например, не был в составе команды IBM, когда этот сервис открыли. И для меня это оказалось очень полезно, потому что я смог кардинально поменять методику своей работы.

— Если не секрет, что именно?

— Я физик-теоретик, занимаюсь квантовыми вычислениями. Иногда у меня были идеи, которые можно было бы воплотить экспериментально и таким образом доказать возможность. Но для этого нужно пойти к экспериментаторам и объяснить, что ты хочешь. Они тебе выделяют аспиранта, и вот он год работает над этим, собирает установку, обсуждает с тобой детали и так далее. Это очень долгий процесс. Был. Но потом я смог проводить свои эксперименты на облачном сервисе буквально за один день. Это потрясающая революция для исследователей — мы можем одновременно заниматься и теорией, и экспериментом.

— То есть теперь я, например, захожу на ваш сайт, пишу какую-то простую программу и запускаю ее. Она запустится на самом квантовом компьютере или это будет какая-то симуляция?

— Вы можете выбрать режим симуляции, а можете запустить код на настоящем квантовом компьютере. Тогда он посылается на наше устройство в лаборатории в штате Нью-Йорк и вы оказываетесь в очереди. При хороших условиях ждать придется несколько минут, иногда приходится подождать немного дольше. Но обычно очередь небольшая.

— Допускаются любые проекты или у вас есть какой-то отбор?

— Нет никакой проверки. Я, например, в качестве демонстрации пишу какие-то случайные программки и нажимаю «запустить». Так что, да, трачу время работы устройства на всякую ерунду. Кто угодно может делать то же самое.

— У вас уже есть какие-то интересные идеи или приложения, которые предложили пользователи?

— Очень много интересных проектов поступает от ученых. По этим результатам написано уже более 170 статей. Студенты предлагают идеи, которые могут стать дополнениями к Qiskit (открытый программный пакет для квантовых вычислений). Мы участвуем в хакатонах и форумах разработчиков игр, так что иногда встречаем людей, которые не имеют никакого научного бэкграунда, но хотят сделать что-то на квантовом компьютере

— А вы лично как-то используете квантовый компьютер?

— Когда говорят о квантовых вычислениях, обычно упоминают вещи вроде алгоритма Шора (квантовый алгоритм разделения числа на множители, с помощью которого можно, например, взламывать криптографические системы с открытым ключом). У него очень понятное практическое применение, но это довольно непросто. Вряд ли кто-то услышит об этом и решит написать свой код, он скорее подумает, что это слишком сложно. Но вот, например, первая игра для квантового компьютера — обычный морской бой — была написана с помощью самых простых конструкций. Это была такая демонстрация того, что не обязательно писать что-то сложное, это может быть что угодно, даже игра. Я сделал несколько таких игр, а теперь занимаюсь вопросом процедурной генерации (автоматическим созданием игрового контента). Случайную генерацию контента сейчас все больше используют на обычных компьютерах. Иногда это слишком сложно для обычного компьютера, так что это идеальная площадка для исследования квантовых вычислений. В моей программе, например, генерируется некоторый остров, и пользователь, с помощью игрового 3D-движка может этот остров исследовать.

— У любой технологии есть свои ограничения. Где границы применимости квантового компьютера? В каких задачах его бессмысленно применять?

— Обычные компьютеры потрясающие. Они очень многое могут делать. Они теперь еще и такие миниатюрные — это просто технологическое чудо. Так что мы не возьмем верх. Для многих задач сложность вычислений на квантовом компьютере ровно такая же, как и на обычном. Создать миллиард транзисторов всегда будет в разы легче, чем миллиард кубитов. Если вам нужно сложить два числа, квантовый компьютер использовать не стоит. Речь скорее об алгоритмах оптимизации, задачах разрешимости и других задач, которые могут быть сложны для обычного компьютера.

— Пока квантовый компьютер — это такая игрушка для ученых?

— Для ученых и для тех, кто готовится к становлению квантовых вычислений как полноценной технологии лет через десять. Это должно стать революционной технологией, которую будут использовать во всех областях. Так что людям надо к этому приготовиться заранее. Например, если мы говорим о криптографии. Если через десять лет криптографические системы можно будет взломать, то уже сейчас надо на что-то их заменять. Конечно, порушить современную криптографию — не цель, но это показательный пример того, что нужно сейчас готовиться к технологиям, которые появятся в будущем.