Лукин квантовый компьютер. Физик Михаил Лукин: "Для ученого очень важно время от времени менять направление"

В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».

Добрый день, друзья. У многих людей до сих пор существует стереотип, что в области компьютерных технологий наша страна в среде отстающих. Компьютеры и их комплектующие создаются на западе, а производятся в Китае и Таиланде. Но, это, мягко выражаясь – не совсем так.

Ученые по компьютерным технологиям из России предъявили всему миру своё новое детище. Данное изобретение в области компьютерных технологий должно перевернуть весь мир. А именно – квантовый компьютер. Этот ПК вычисляет в 1000000-ны раз быстрее, чем те ПК, которые находятся в крупнейших компьютерных корпорациях Земли. То, что наши ученые победители, приняли как факт иностранные коллеги.

Квантовик многим казался невозможным буквально еще год назад. Он настолько скоростной, что может перегнать все ПК, созданные в наше время. Его мощность такова, что она способна показать людям невероятные возможности, и разрушить большую часть систем безопасности, т.к. без особого труда взломает любую операционную систему.

Как заявил Сергей Белоусов, ген. директор Acronis, он же создатель квантового центра России – «Когда подобный компьютер начинает работать, он становится более опасным, чем атомная бомба.». Я с ним полностью согласен, люди ещё на знают всех возможностей подобного ПК.

Когда о том, что в России создаётся компьютер на основе кубитов, в данные проект России начали вкладываться такие гиганты, как Microsoft, Гугл, IBM, и крупнейший интернет магазин Алибаба. Сделать же квантовик смог профессор Михаил Лукин, который до этого работал в Гарварде, и ещё один человек из Квантового центра. Именно их команда и сделала мощнейший на сегодняшний день компьютер.

«Мы сделали самую скоростную систему на основе квантов из тех, которые были до этого. Наша команда вошла в тот этап, с которым обычные ЭВМ не в состоянии справиться. Сейчас, мы создаём небольшие открытия, и уже успели заметить детали, о возможности которых не подозревали даже в теории. Данные открытия даже мы не полностью понимаем», — говорит М. Лукин.

Разумеется, все из-за возможностей подобных компьютеров. Вычисления, которые обычный компьютер будет делать несколько тысяч лет, квантовик сделает за долю секунды.

Квантовый компьютер что это такое

Каков принцип работы подобного ЭВМ? Вкратце – простой компьютер создаёт свои вычисления за счет битов. Бит может быть или нулём, или единицей. Нули с единицами выстраиваются в определённую позицию и создают цифры или другие знаки. Это чем-то похоже на азбуку Морзе. Суть — да или нет. Точка — тире.

В квантовиках же принцип совершенно другой. Тут работают не биты, а кубиты. Подобные кубиты находятся в суперпозиции, т.е., кубит может в одно и тоже время быть и нулём, и единицей. Простые компьютеры выстраивают позиции, квантовики же вычисляют параллельно. За доли секунды. В Российском компьютере 51 кубит.

Попробую объяснить более понятно. Представьте, что в кинотеатре идёт интересный фильм. Вы сидите дома, и сами не можете понять, хотите вы увидеть этот фильм, или нет. То есть, в вас сразу присутствует и единица, и нуль. Но вот, вам позвонил ваш друг и предложил сходить на этот фильм. Вот теперь вы точно знаете, что желаете сходить на этот фильм. Другими словами, у вас теперь единица. Что-то похожее происходит и в системе, построенной на кубитах.

Что создал Лукин

Профессор со своей командой создали ОС, которая на данный момент имеет больше кубитов, чем в Американском аналоге. У американцев их пока 22. Как заявил С. Белоусов: — «Мы создали 51 кубит с запасом, чтобы наш компьютер оставался первым, так как представитель Гугл заявлял, что создаст ЭВМ, у которого будет 49 кубит».

Многие ученые верили, что самый скоростной ПК создаст Джон Мартинес. Он руководит одной из крупнейших на Земле квантовых лабораторий от Гугла. Воплотить в жизнь квантовый компьютер с 49 кубитами он собирался буквально месяца через три — четыре.

«Сейчас, в нашем компьютере имеется 22 кубита. Чтобы создать подобный компьютер, мы применили весь свой талант и профессиональный уровень.» — заявил Мартинес.

Джон и Михаил выступали в одном зале в Москве, на 4-й всемирной конференции по квантовым ПК. Однако, соперниками оба выдающихся изобретателя себя не считают. «Неверно пологать, что у нас с Россией гонка – заявил Мартинес – мы соперничаем с законами физики, так как, это очень трудно, воплотить в жизнь кубитный компьютер. Я в восторге, что кто-то сделал компьютер, у которого 51 кубит.» — заявил Мартинес.

Зачем нужны квантовые ЭВМ

На этот вопрос затрудняются ответить даже их изобретатели. Благодаря таким компьютерам, можно создать невероятные вещества, с новыми свойствами. Также, подобные компьютеры помогут открыть различные открытия в химии с физикой. Квантовик ближе прочих компьютеров к искусственному интеллекту.

С уважением Андрей Зимин

В рамках Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве, профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин сообщил, что группа российских и американских ученых, работающих в Гарварде под его руководством, создали и протестировали первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита – самую сложную вычислительную систему из существующих на сегодня.

Квантовые компьютеры - особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе, состоят из кубитов – ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, хранящих в себе спектр значений между нулем и единицей.

Разрабатывают такие устройства классическим или адиабатическим методом. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с ним похожа на то, как инженеры и программисты управляют компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к традиционным цифровым устройствам.

В 2016 году несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они создадут такую машину в ближайшем будущем. Так, команда Джона Мартиниса из Google разработала необычный «гибридный» вариант универсального квантового вычислителя, которые сочетает в себе элементы аналогового и цифрового подхода к расчетам.

Физик Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические «холодные атомы».

Так, группа Лукина обнаружила, что набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных «клеток» и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать на сегодня самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов были решены несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи «классических» суперкомпьютеров. Учёные смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, и обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для этого был разработан специальный алгоритм, позволяющий провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

Команда ученых намерена продолжить эксперименты с квантовым компьютером. По словам Лукина, они попытаются запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. Результаты работы квантового компьютера уже описаны в одном из рецензируемых научных журналов.

Российские ученые представили разработку, которая, по их словам, должна кардинально изменить жизнь человечества. Созданием квантовых компьютеров, способных работать в миллионы раз быстрее современных операционных систем, занимаются крупнейшие технологические корпорации мира. Но они уже признали победу коллег.

Это казалось фантастикой еще вчера - квантовые компьютеры, способные обогнать все существующие устройства. Они настолько мощные, что могут или открыть человечеству новые горизонты, или обрушить все системы безопасности, потому что смогут взломать их.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомный бомбы», - считает генеральный директор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.

В разработку вкладываются крупнейшие корпорации: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Но сегодня в центре внимания - Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра. Его команде удалось создать самый мощный на данный момент квантовый компьютер.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы. Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справится с вычислениями. Делаем маленькие открытия уже, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, мы даже до конца их не понимаем», - рассказывает профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин.

Все - из-за мощности таких устройств. Расчеты, которые на сегодняшнем суперкомпьютере займут тысячи лет, квантовый может сделать в один миг.

Как это работает? В обычных компьютерах информация и вычисления - это биты. Каждый бит - либо ноль, либо единица. Но квантовые компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным компьютерам нужно, грубо говоря, выстроить последовательности, то квантовые вычисления происходят параллельно, в одно мгновение. В компьютере Михаила Лукина таких кубитов - 51.

«Во-первых, он сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это больше чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что Google все время говорил, что сделает 49», - объясняет гендиректор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.

Создание самого мощного квантового компьютера пророчили ему. Джон Мартинес - руководитель крупнейшей в мире квантовой лаборатории корпорации Google. И свой 49-кубитный компьютер он планировал закончить только через несколько месяцев.

«22 кубита - это максимум, что мы смогли сделать, мы использовали все свое волшебство и профессионализм», - рассказывает он.

Мартинес и Лукин выступили на одной сцене - в Москве, на Четвертой международной квантовой конференции. Впрочем, соперниками ученые себя не считают.

«Неправильно думать об этом, как о гонке. Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов», - говорит глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google Джон Мартинес.

Но для чего нам понадобятся квантовые компьютеры? Даже сами их создатели не знают наверняка. С их помощью могут быть разработаны совершенно новые материалы, сотни открытий в физике и химии. Квантовые компьютеры - пожалуй, единственное, что может приоткрыть тайну человеческого мозга и искусственного интеллекта.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры», - говорит директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.

Один из первых компьютеров был создан в 40-х годах ХХ века и весил 27 тонн. Если сравнить с современными устройствами, то обычный смартфон по мощности - это как 20 000 таких машин. И это за 70 лет прогресса. Но если наступит эра квантовых компьютеров, уже наши потомки будут удивляться, как вообще пользоваться этим антиквариатом.

В пятницу утром, 14 июля, на Международной конференции по квантовым технологиям Михаил Лукин - сооснователь Российского квантового центра и профессор в Гарвардском университете - рассказал о создании его научной группой полностью программируемого 51-кубитного квантового вычислителя. На первый взгляд, такой результат можно назвать внезапным прорывом в этой области - такие гиганты, как Google и IBM, только подбираются к рубежу 50 кубитов в квантовом компьютере. Буквально вчера на сервере препринтов arXiv.org появилось подробное описание эксперимента. Редакция N + 1 решила разобраться в том, что же все-таки произошло и чего ждать от нового квантового компьютера.

Коротко о квантовых компьютерах - универсальных и неуниверсальных

На что похож 51-кубитный компьютер?

Разберемся с системой, созданной физиками в новой работе. Роль кубитов в ней играют холодные атомы рубидия, захваченные в оптическую ловушку. Сама ловушка представляет собой массив из 101 оптического пинцета (сфокусированного лазерного луча). Атом удерживается пинцетом в равновесном положении за счет градиента электрического поля - он притягивается к области с максимальной напряженностью электрического поля, которая находится в точке фокуса пинцета. Так как все пинцеты выстроены в ряд, все атомы-кубиты компьютера также выстроен в цепочку.

«Ноль» для каждого из атомов рубидия - его основное, невозбужденное состояние. «Единица» - специально подготовленное ридберговское состояние. Это такое возбужденное состояние, в котором внешний электрон рубидия оказывается очень далеко от ядра (на 50-й, 100-й, 1000-й орбитали), но по-прежнему остается с ним связан. Из-за большого радиуса ридберговские атомы начинают взаимодействовать (отталкиваться) на гораздо больших расстояниях, чем обычные. Это отталкивание и позволяет превратить ряд из 51 атома рубидия в цепочку сильно взаимодействующих частиц.

Для управления состояниями кубитов используется отдельная система лазеров, способная возбуждать их в ридберговское состояние. Главная и важнейшая особенность нового вычислителя - возможность напрямую адресоваться к каждому из 51 кубита. Существуют и более сложные ансамбли атомов, в которых наблюдаются запутанные квантовые состояния (недавно мы о 16 миллионах атомов, запутанных взаимодействием с одним фотоном), а квантовое моделирование выполняли и на более чем сотне холодных атомов. Но во всех этих случаях у ученых не было возможности точно контролировать систему. Именно поэтому новая система называется полностью программируемым квантовым компьютером.

Каждое вычисление на квантовом компьютере - в некотором смысле моделирование реальной квантовой системы. Основная часть новой работы посвящена моделированию хорошо известной квантовой системы - модели Изинга. Она описывает цепочку (в данном случае) частиц с ненулевыми спинами (магнитными моментами), взаимодействующих со своими соседями. Модель Изинга часто привлекают для описания магнетизма и магнитных переходов в твердых телах.

Эксперимент был построен следующим образом. Сначала частицы охлаждали и захватывали в оптические пинцеты. Это вероятностный процесс, поэтому поначалу массив частиц был хаотичным. Затем с помощью последовательности измерений и корректировок создавался бездефектный массив из более чем 50 холодных атомов в основном невозбужденном состоянии. На следующем этапе оптические пинцеты отключали и одновременно с этим включали систему, возбуждавшую атомы в ридберговское состояние. Некоторое время система эволюционировала под действием ван-дер-ваальсовых сил - атомы занимали наиболее «удобные» для них позиции, после чего пинцеты снова включали и изучали результат эволюции.

В зависимости от того, как близко располагались холодные атомы до возбуждающего импульса, физики наблюдали разные результаты эволюции. Это связано с тем, что ридберговские атомы способны подавлять возбуждение соседей до ридберговских состояний (из-за сильного отталкивания). Ученые наблюдали системы, в которых атомы после эволюции оказывались упорядочены так, что между каждой парой соседних ридберговских атомов был строго один, строго два или строго три обычных.

Интересно, что образование очень упорядоченных структур после свободной эволюции происходило с очень большой вероятностью - даже в случае массива из 51 холодного атома.

Чтобы посмотреть, как происходит процесс эволюции, ученые включали пинцеты и «фотографировали» систему в разные моменты времени. Оказалось, что в некоторых случаях эволюция к состоянию равновесия происходила очень медленно: система долгое время колебалась между несколькими состояниями. Этот результат можно подтвердить грубым классическим моделированием, вовлекая в анализ взаимодействия между соседними и следующими за соседними атомами.

Полезно ли это?

Это один из тех случаев, когда квантовое моделирование предсказывает реальный новый эффект. Стоит заметить, что точно смоделировать систему из 51 холодного атома с помощью классического компьютера невозможно. Чтобы только описать все возможные ее состояния потребуется 2 51 бита оперативной памяти (около петабайта). Подтвердить этот эффект удалось лишь грубым моделированием на классическом компьютере.

Интересно, что ровно обратная ситуация возникает при квантово-химических расчетах - классические компьютеры дают лишь приблизительную оценку свойств для сложных систем, затрачивая на это огромные вычислительные ресурсы. В то же время прямой анализ этих, безусловно, квантовых систем дает точный результат.

А для чего еще он пригодится?

В конце препринта авторы традиционно приводят список областей, в которых может быть полезна новая разработка. Можно перечислить некоторые из них: создание суперпозиций, состоящих из большого количества частиц, исследование топологических состояний в спиновых системах. Физики отдельно отмечают, что алгоритм хорошо подходит для решения задач оптимизации систем, размеры которых заведомо превышают предел досягаемости обычных компьютеров. Эти задачи включают в себя моделирование химических реакций и обучение .

Созданная Михаилом Лукиным и его коллегами система работает сейчас как квантовый симулятор - она моделирует системы, подобные самой себе. Однако стоит заметить, что на отдельных парах ридберговских атомов физикам уже удавалось создавать логические CNOT -вентили, используемые для создания запутанности. Поэтому можно говорить о том, что в новой системе можно реализовать некоторые простейшие алгоритмы (к примеру, алгоритм Дойча, или алгоритм Шора для очень маленьких чисел). Однако на данном этапе эти алгоритмы не будут полезными.

Михаил Лукин (слева) и Джон Мартинис (справа) - глава группы, разрабатывающей 49-кубитный квантовый компьютер в Google

Российский квантовый центр

В некотором смысле новое устройство уже сейчас способно решать задачи, недоступные для классических компьютеров - его невозможно точно смоделировать обычными компьютерами. Но говорить о полезном квантовом превосходстве, которое уже сейчас пригодится в прикладных задачах, еще рано. Многие ученые отмечают, что гонка за квантовым превосходством сейчас не несет в себе ничего полезного с точки зрения прикладных вычислительных задач.

Стоит заметить, что эксперименты с атомами в оптических решетках уже несколько лет назад превзошли предел досягаемости точного моделирования классическими компьютерами. В них используются десятки связанных между собой частиц. Например, с их помощью квантовые кооперативные явления, родственные сверхтекучести и сверхпроводимости. Является ли это квантовым превосходством?

Владимир Королёв