РКЦ: квантовый компьютер и блокчейн. Наука России и ее ученые

Я пришла в Российский квантовый центр пообщаться с Алексеем Федоровым — создателем квантового блокчейна и руководителем одной из научных групп. Мне открылась новая реальность: молодые сильные российские ученые, которые работают над технологией будущего на мировом уровне.

А вы знали, что в России уже есть продукты, работающие на квантовых технологиях? А что квантовые компьютеры уже существуют, в том числе и в России? Что любой желающий может запрограммировать настоящий квантовый компьютер онлайн на специальном языке программирования?Если нет, заходите, будет интересно.

Поговорили про новую науку, про то, как работают квантовые технологии в части железа и программного обеспечения и зачем все это нужно обычным людям.

Полную версию, которая охватывает очень много интересных вопросов, вы можете посмотреть на моем ютуб-канале. Здесь же я приведу в сжатом виде некоторые интересные моменты, творчески переработанные под печатный формат.

Фаря:
— Квантовый генератор случайных чисел, квантовый блокчейн — это все здорово, отлично. А квантовый компьютер-то где?

Алексей Федоров:
— На самом деле, квантовый компьютер уже существует на сегодняшний день, есть прототипы в мире, в России. Но они пока не могут решать индустриальные, коммерчески востребованные задачи. Они относятся к так называемой «эре NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum)». То есть они шумные и промежуточного масштаба, но уже квантовые.

— Промежуточного масштаба — это как?

— Мощность квантового компьютера меряется количеством кубитов. Кубит — это квантовый аналог бита, это суперпозиция 0 и 1. Считается, что маленький квантовый компьютер — это 0-5 кубитов. В России есть двухкубитный квантовый компьютер, сейчас работают над пятикубитными. А в мире — это десятки кубитов. Intermediate-Scale — это где-то от 30 до 100.

Самый мощный на сегодняшний день создан компанией Google, в нем 53 кубита, и он может решать некоторую очень специфическую задачу моделирования случайных квантовых цепочек. Пока это единственное, что он может делать нормально, но он решает эту задачу намного быстрее, чем классический суперкомпьютер.

— Это необходимо для каких-то научных разработок?

— Это называется «демонстрация квантового превосходства». Квантовое превосходство — это способность квантового компьютера решать задачи, которые неспособен за разумное время решить классический суперкомпьютер. Вот Google в октябре прошлого года нашел специфическую задачу. Хоть она и имеет сомнительное практическое применение, тем не менее, квантовый компьютер решает её за 200 секунд, а классическому по их оценкам потребовалось бы 10 тысяч лет.

— Правильно ли я понимаю, что те научные результаты, которые вы получили, лягут в основу создания отечественного квантового компьютера?

— На самом деле, наша цель достаточно амбициозна — сильно сократить отставание между тем, что происходит сейчас в России и в мире. Россия отстает в создании квантовых вычислений на 5-10 лет. Наша цель — сократить это отставание до 2-3 лет.

Этим в последнее время занимался «Росатом» вместе с экспертным советом при участии нашего центра. Была разработана супер-детализированная дорожная карта развития каждого квантового процессора в отдельности. На данный момент идея состоит в том, что будут поддерживаться 4 базовых технологии создания квантовых процессоров: на сверхпроводниках, ионах, интегральной оптике и на ультрахолодных атомах. При чем помимо хардварной части будет также программная. Я принимаю участие в разработке программного обеспечения для будущих квантовых компьютеров.

— Что это ПО будет делать?

— Будет решать индустриальные задачи. Из области квантовой химии или материаловедения, или биоинформатики — моделирование таких систем, как лекарства, например. Вопрос пока тонкий — насколько это будет эффективнее того, что есть сейчас. Возможно, в чем-то более эффективно, но вряд ли за 5 лет удастся достичь прямо индустриального превосходства. Тем не менее, такой фокус есть.

— А пока в России есть только двухкубитный квантовый компьютер.

— Да, но двухкубитный — это уже очень важно. Потому что любые алгоритмы, которые есть в квантовом компьютере, раскладываются на однокубитные и двухкубитные операции. То есть один кубит и два кубита — это базовые элементы для того, чтобы потом эту технологию масштабировать.

— Слушай, это все очень круто звучит, но, согласись, чтобы человек думал о науке, вот так вот был в неё погружен, действительно был нацелен на результат, он не просто должен её любить… он еще не должен думать о деньгах, хотя бы о своих базовых потребностях.

— Да, конечно. РКЦ обеспечивает достойный уровень жизни.

— Сколько зарабатывают ваши сотрудники?

— Я знаю только в среднем вилки. Для студентов — это от 30 до 50-60 тысяч, аспирант получает 80-120, и так далее. Но это очень индивидуально, все сильно зависит от человека, его уровня, потребностей и желания вовлекаться. Хорошая сторона квантового центра — это его гибкость. Действительно выдающемуся сотруднику могут быть обеспечены супер-привлекательные условия для того, чтобы он либо не уехал, а лучше — уехал, поработал там и вернулся.

Но есть и другая сторона. У квантового центра в отличие от института академии наук нет базы финансирования. Он не является строчкой бюджета Российской Федерации. На каждый год это финансирование надо искать и оправдывать. Поэтому иногда помимо получения денег от спонсора мы участвуем в грантах и различных крупных проектах.

— Согласись, что человек не может заниматься наукой, если ему приходится выживать, как сейчас происходит во многих научных институтах.

— Безусловно. Но, тем не менее, у нас в стране есть возможность работать. Можно получить грант Российского научного фонда, который по своему объему сопоставим с европейскими, и это замечательно. Ты можешь получить грант, сформировать научную группу, показать, что ты конкурентоспособен в своем научном направлении и работать. И практически все молодые научные сотрудники квантового центра сильно нацелены на то, чтобы создать свой коллектив какой-то маленький, даже в рамках большой научной группы. Они работают над грантами и привлекают их.

— На чем и как ты пишешь программы для квантовых компьютеров?

— Пока железная часть в разработке, мы пишем программы для эмулятора квантового компьютера, который работает на обычном компьютере, но полностью воспроизводит поведение квантового, вплоть до шумов. Это очень интересная деятельность — писать ПО для компьютера, которого еще не существует. Сама постановка задачи мне настолько понравилась, что я понял, что не хочу ничем другим заниматься.

— А на чем, на чем?

— Ну, зависит… у нас очень много инструментов. Есть профессиональные, квантовые языки программирования типа Q#.

— Подожди, квантовые языки программирования? Где-то можно такому научиться?

— Конечно, можешь прямо сейчас. Помимо Q# есть такая вещь, которая называется Qiskit — это визуальный язык программирования от компании IBM. Ты можешь зайти на их сайт IBM Quantum Experience и программировать квантовый компьютер, который у них располагается в общем доступе. В России тоже будет нечто подобное.

— То есть вам нужны особые программисты для квантовых компьютеров?

— А таких еще нет, поэтому мы их сами делаем. Они приходят как классические программисты, но постепенно меняют свой подход. В какой-то момент такие: «О, окей, нужно программировать еще и такую штуку» и начинают программировать квантовый компьютер, разбираться в железе и так далее.

— Я читала, что вы хотите использовать квантовый компьютер для машинного обучения.

— В процессе исследования мы поняли, что машинное обучение — это одно из потенциальных приложений квантового компьютера, где он может показать свою полезность, пока он еще не стал супермощным и супер идеальным. Например, мы поняли, как делать новый класс оптимизационных алгоритмов, которые называются квантово вдохновленными. Они являются квантовыми, но при этом моделируют поведение некоторой физической системы. И могут быть более эффективными, чем классические.

И, в частности, такие, квантовые вдохновленные алгоритмы можно применять в разных задачах машинного облучения. Например, мы нашли, как обнаруживать хаос в многочастичных системах, это давняя задачи и одна из краеугольных задач физики вообще.

Если вам интересно, приглашаю к просмотру полной версии.

Пишите в комменты, что вы думаете о будущем квантовых технологий в России.