ХХ век в науке ознаменовался атомной и космической гонками, а в нынешнем столетии учёные соревнуются в гонке квантовой.
Тот, кто создаст более мощный компьютер, работающий на новых физических принципах, будет иметь приоритет в решении многих задач, связанных в том числе с национальной безопасностью.
Каково место России в этой гонке? Прошлым летом Владимиру Путину показали 16-кубитный процессор, созданный российскими учёными. В начале этого года у нас уже появились 20-кубитный и 25-кубитный. Но то ли ещё будет! О том, зачем нужны квантовые компьютеры и какую пользу они принесут обычным людям, рассказывает научный сотрудник Российского квантового центра и лаборатории квантовых информационных технологий Университета МИСИС, аспирант МФТИ Алёна Мастюкова.
Задача на миллиард лет
Дмитрий Писаренко, aif.ru: — Алёна, как просто объяснить, что такое квантовый компьютер и что это за кубиты, из которых он состоит?
Алёна Мастюкова: — Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, основанное на принципах квантовой физики, а не классической. В нём элементарными единицами информации являются кубиты. Если в обычном компьютере единицей измерения количества информации является бит, и он может быть либо нулем, либо единицей, то кубит допускает гораздо больше состояний. Это сумма нуля и единицы с какими-то коэффициентами. В квантовом мире это называется суперпозиция.
Грубо говоря, мы выходим в другое численное состояние. Будто бы из двухмерной плоскости переходим в трёхмерное пространство или даже многомерное.
Отличие квантового компьютера от обычного такое же, как обычного компьютера — от деревянных счётов. Многие уже забыли, что когда-то все вычисления производились с помощью этого нехитрого устройства, а молодёжь и вовсе не имеет о нём представления.
Те вычисления, на которые у человека со счётами уходила неделя, сменивший их компьютер производит всего за пару минут. Но теперь выделился класс задач, которые классические компьютеры не могут решать быстро. Существует фундаментальный предел их возможностей, и его можно преодолеть, лишь радикально увеличив скорость вычислений.
Для этого и создают квантовые компьютеры. То, на что обычный процессор потратил бы миллиард лет (представьте, есть такие задачи), квантовый сможет решить за обозримое время. Скажем, за несколько недель. 
Кванты в «облаке»
— Что же это за задачи такие, на решение которых уйдёт миллиард лет?!
— Например, поиск новых лекарств — молекул, которые лечили бы конкретное заболевание. Чтобы найти химическое соединение с заданными свойствами, нужно перебрать огромное количество комбинаций. И на некоторые действительно понадобится миллиард лет.
Другой класс задач — оптимизация путей, маршрутов. В их решении мы тоже подходим к пределу.
— Вы хотите сказать, что навигатор в моём смартфоне, подсказывающий, что «найден более короткий маршрут», работает на пределе возможностей?
— Это упрощённый пример. Проложить маршрут между двумя точками — немудрёная задача. Но когда точек много, ситуация значительно усложняется. Начинает играть роль множество параметров: пробки, постоянно меняющаяся обстановка на дорогах, погода, платный-бесплатный проезд... Классический компьютер с такой задачей справляется уже плохо. Не спорю, навигатор и в этом случае проложит вам маршрут, но он будет не всегда оптимальным.
Когда мы заказываем доставку товара на дом, нам может прийти уведомление: ждите курьера с 9:00 до 15:00. Полдня, это же ужас! Хотелось бы побыстрее. И квантовые компьютеры помогут добиться этого.
Сейчас при оформлении доставки маршрут рассчитывается, как правило, вручную. Если курьеру надо в течение дня объехать несколько точек, логисты смотрят, где с утра какие пробки, и прокладывают путь, ориентируясь на свой опыт и интуицию, после чего вручают человеку маршрутный лист. Но это не значит, что там всё рассчитано наилучшим образом.
— А что, квантовый компьютер когда-нибудь будет у каждого курьера? И у нас вместо обычных ноутбуков будут квантовые?
— Нет, квантовый компьютер никогда не заменит обычный. Некоторые виды задач классический решает быстрее. Думаю, они будут дополнять друг друга, работать в синтезе.
Дома нам квантовый компьютер вовсе ни к чему. Зачем он там нужен? Мы же не станем на дому искать формулу лекарства. Он будет стоять где-нибудь в институте, научном центре, а мы будем пользоваться им дистанционно, получая облачный доступ.
Это и сейчас часто происходит, о чём мы даже не задумываемся. Нам кажется, что вычисления производит наш телефон, а это делается в облачных сервисах, на суперкомпьютере, куда с нашего устройства отправляется запрос. Мы открываем навигатор в смартфоне, задаём точку прибытия, а маршрут рассчитывается в «облаке». И нас не интересует, как это всё работает «под капотом».
Так же будет с квантовыми вычислениями. Для пользователя это может выглядеть как привычные приложения на экране гаджета. Только они будут получать облачный доступ не к обычному компьютеру, а к квантовому. У того же курьера будет приложение, которое в реальном времени, исходя из дорожной ситуации, будет пересчитывать ему маршрут. А клиент — точно видеть, где он находится.
Это, кстати, поможет решить и проблему транспортной загруженности. Когда все будут прокладывать оптимальные для себя маршруты, это улучшит дорожную ситуацию.
Используем все средства и платформы
— Где ещё пригодятся квантовые вычисления?
— В любых задачах по оптимизации, а их множество. В нефтегазовой отрасли важно знать, как лучше расположить нефтяные вышки, на каком расстоянии их ставить друг от друга. В атомной отрасли — как наиболее эффективно переработать и утилизировать ядерное топливо либо использовать его повторно. В банковской сфере актуальная задача — оптимизация финансовых портфелей.
Про поиск новых лекарств я уже сказала. Но квантовые вычисления помогут и в более широком поиске химических соединений — в моделировании материалов с заданными свойствами. Это важно, например, для создания нового поколения аккумуляторов.
— Считается, что квантовые технологии хорошо подходят для шифрования — такие системы, дескать, невозможно взломать.
— Совершенно верно. В том числе по этой причине государство так поддерживает разработки в области квантовой физики и проявляет к ним интерес. С этим связаны вопросы национальной безопасности. Ключевая разработка Российского квантового центра — система связи для абсолютно защищённой передачи информации в банковской, военной, государственной и других сферах.
Квантовая криптография позволит так защитить информацию, что её не взломает ни суперкомпьютер, ни другой квантовый компьютер (это так называемая постквантовая криптография). Такие алгоритмы сейчас у нас разрабатываются, есть научная группа, которая этим занимается.
— Но квантовыми технологиями занимаемся не только мы. В мире идёт своеобразная квантовая гонка, и мы пока отстаём от США и Китая. Догоним?
— Мощность квантового компьютера измеряется в кубитах, и по этому показателю американцы и китайцы нас действительно пока опережают. Но у нас есть понимание, как наверстать упущенное. В «дорожной карте» по квантовым вычислениям чётко прописаны все шаги и сроки.
Тут цель даже не в том, чтобы прямо сейчас сделать компьютер на большем количестве кубитов, чем у тех же американцев. А в том, чтобы смотреть далеко вперёд. Квантовые компьютеры бывают на разных физических принципах, на разных платформах. За границей делают упор на сверхпроводниковые процессоры. Но это не самый хороший подход: сверхпроводники имеют пределы, создать мощные квантовые компьютеры (не на десятках, а на тысячах и миллионах кубитов) на них будет сложно.
А мы в России используем все средства и платформы для квантовых компьютеров, какие только есть. Это не только сверхпроводники, но и атомы, ионы, фотоны. У нас уже сейчас есть разработки, которых нет за рубежом. Для чего это? Дело в том, что учёные пока сами не знают, какой принцип квантовых вычислений в будущем станет лидирующим. Это открытый вопрос, и очень хорошо, что у нас есть достижения по каждому направлению.
