Квантовый шанс: как IBM строит экосистему для компьютера будущего
«За квантом — будущее» — расхожий штамп среди энтузиастов технологии. Но для IBM это не пустые слова, а продуманный план. Корпорация со столетней историей в последнее время уступает в гонке инноваций производителям смартфонов, социальным сетям и интернет-сервисам. Поэтому ставка на создание первого универсального квантового компьютера и строительство полноценной экосистемы вокруг устройства — шанс для IBM вновь выбиться в лидеры.
И корпорация старается: опрошенные журналом РБК российские и зарубежные эксперты называют ее одним из мировых лидеров в области разработки квантового компьютера. В 2014 году IBM объявила о намерении вложить в течение пяти лет $3 млрд в сверхновые технологии, значительная часть этой суммы будет потрачена на квантовый проект, а в 2017-м запустила специальное подразделение IBM Q. От всех технологических гигантов, у которых есть проекты в этой сфере, IBM отличает системность подхода: компания строит настоящую квантовую экосистему.
Холодильник со ступенями
Квантовый компьютер IBM разрабатывается в лаборатории компании в Швейцарии. Установка высотой под 3 м состоит из нескольких блоков с разным температурным режимом, каждый отвечает за свою часть процесса квантовых вычислений. Снаружи — защитный металлический кожух. Все компоненты чувствительны к изменениям внешней среды: даже такая мелочь, как ремонтные работы в нескольких километрах от компьютера, может повлиять на точность вычислений.
Для эффективной работы установка должна быть сильно охлаждена — это условие возникновения сверхпроводимости, при которой работает устройство от IBM. На первой ступени установки температура составляет всего 4К (-269ºC) — холоднее, чем в открытом космосе, и близко к абсолютному нулю. Здесь расположен один из усилителей сигнала, исходящего от кубитов (q-бит, базовый элемент для хранения информации в квантовом компьютере. — РБК), и микроволновые линии ввода команд управления остальными частями устройства. Эта ступень охлаждается в том числе для нивелирования температурных скачков при взаимодействии с другими компонентами.
Вторая ступень — это также линии ввода, третья — сверхпроводящие коаксиальные кабели, способные передавать сигнал между квантовыми компонентами и классическим компьютером, который управляет квантовой системой. В состав кабелей входят ниобий и его сплав с титаном. При сильном охлаждении этот материал переходит в сверхпроводящее состояние.
Также на третьей ступени — криогенные изоляторы и смесительная камера, которые отвечают за поддержание температуры. На четвертой, последней, ступени находятся сам процессор и квантовые усилители, которые дают возможность считывать сигналы процессора и уменьшают «шумы», мешающие вычислениям. Процессор находится в отдельной защитной камере — она не пропускает электромагнитное излучение, которое может воздействовать на кубиты и портить результаты вычислений.
Необходимость такой защиты связана еще и со спецификой используемых IBM устройств для работы с кубитами: они созданы на основе сверхпроводящих электронных схем и используют в качестве основных материалов ниобий, алюминий и кремний. Из ниобия делают конденсаторы, алюминий идет на связующий два конденсатора нелинейный мост, а кремний служит основой для чипа. Так как элементы из алюминия в несколько раз тоньше волоса, они подвержены любым колебаниям и излучениям.
Сверхпроводниковые чипы чаще всего используется в производстве квантовых компьютеров. Другие платформы для создания кубитов (ионные ловушки, холодные атомы) более распространены в лабораторных проектах и редко встречаются в коммерчески ориентированных решениях.
Проблемы на 50 кубитов
Квантовый компьютер от IBM — яркий пример достижений и проблем, свойственных подобным современным разработкам. От конкурентов устройство IBM отличает технология производства процессоров. На печатной плате размещено несколько резонаторов, своеобразных «дорожных развязок» для пучков света. Их задача — обеспечить максимальное время когерентности системы, то есть время, за которое система может проводить вычисления без потери данных. Расположение кубитов в чипе на печатной плате зависит от количества этих кубитов.
Основная проблема устройства, также присущая проектам всех лидеров индустрии, — оно не может осуществлять квантовые вычисления на постоянной основе (а не только в коротком промежутке времени), а также не умеет хранить результаты этих вычислений. Нивелировать недостатки помогают классические системы, подключенные к квантовой установке и создающие своего рода гибридную систему. Сейчас обычный компьютер — неотъемлемая часть квантового: по бинарной логике, например, управляются лазеры и отслеживаются другие параметры квантовой системы. Информация, полученная в результате вычислений на квантовом устройстве, также интерпретируется при помощи ПК.
Исследователи сходятся во мнении, что в ближайшем будущем квантовый компьютер не сможет существовать как самостоятельный девайс, для этого все еще нужно масштабирование технологии и сопутствующей инфраструктуры. В конечном счете может оказаться, что квантовый компьютер — лишь дополнительная часть обычного компьютера, которая позволяет выполнять более широкий спектр задач вроде графического процессора.
«Мы видим будущее, в котором квантовые вычисления происходят параллельно обычным», — заявил журналу РБК исследователь швейцарской лаборатории IBM Research Даниэль Эггер. С ним согласен Юрий Курочкин, руководитель группы квантовых коммуникаций Российского квантового центра: «Пока еще рано говорить, станет ли квантовый компьютер отдельным устройством, его может ждать судьба дополнительных компонентов в обычном компьютере».
В лаборатории IBM удалось симулировать 56-кубитный процессор, но в компании отмечают, что индустрия искусственно выставила себе рубеж в 50 кубитов и он вовсе не является главным критерием мощности системы. Тем более что эта планка была неоднократно взята и компанией D-Wave с ее компьютерами мощностью 2 тыс. кубитов, и самой IBM. «Количество кубитов не значит рост в качестве вычислений. Проблемы, которые были на пяти кубитах, остаются и на 50», — объясняет в одном из обучающих видео сотрудник IBM Research Лев Бишоп.
По мнению ученого, производителям необходимо сконцентрироваться на квантовом объеме — параметре, который позволяет оценить квантовый компьютер с точки зрения количества ошибок в вычислениях. Его предложил сам Бишоп: увеличение числа кубитов без коррекции ошибок, по его словам, неизбежно ведет к снижению эффективности вычислений. На данный момент из 100 проведенных операций на 5-кубитном процессоре одна будет ошибочной, а при увеличении числа кубитов будет расти и процент брака в вычислениях, свидетельствуют расчеты IBM.
Улучшить качество работы квантового компьютера IBM надеется в ближайшие месяцы. В рамках организации IBM Research Frontiers Institute консорциум исследователей оценивает возможность коммерческого использования технологий, в том числе в сфере квантовых вычислений. Среди учредителей — Samsung, JSR, Honda, Hitachi Metals и Nasage. По заявлению IBM, «универсальный» квантовый компьютер планируется к запуску в 2018 году.
На основе запущенного в 2016 году облачного сервиса IBM Quantum Experience, которым сейчас бесплатно пользуются ученые и энтузиасты, создается платформа, за доступ к которой компании, участвующие в эксперименте, будут платить. Сервис позволит оптимизировать бизнес-процессы в больших корпорациях, использовать мощности квантового компьютера для работы над искусственным интеллектом и так далее.
Массовое распространение технологии пока ограничивается сложностями ее масштабирования: холодильную установку, «способную» на 4К, например, не так просто уменьшить.
Интерфейс в облаке
Помимо строительства универсального квантового компьютера IBM задается целью создать сообщество разработчиков и пользователей. ПК тоже когда-то был заточен под решение специализированных задач и предугадать его трансформацию в массовую технологию могли единицы, напоминают в компании.
IBM регулярно выпускает обучающие ролики и демонстрирует разработки на профильных выставках. Также компания первой из конкурентов выложила в открытый доступ две версии квантовой установки на 5 и 16 кубитов — и планирует в ближайшее время представить третью — на 20. Взаимодействие с пользователем происходит в облачном сервисе IBM Quantum Experience.
После регистрации пользователю предлагается на выбор два вида интерфейса, разных по сложности. На начальном уровне можно использовать блок-схемы для написания простейших программ. Базовый интерфейс, доступный в любом современном браузере, похож на программы для написания музыки: те же столбцы и строки. Размещать на них, однако, предлагается команды для компьютера. С помощью инструкций от IBM любой пользователь может ознакомиться с основами работы квантового компьютера. Более продвинутая версия предлагает текстовый редактор для программирования. Для работы с облаком не требуется дополнительного оборудования, только клавиатура и мышь. Сервис также предлагает полноценную инструкцию и демонстрацию возможностей.
Решение сделать доступ публичным в IBM объясняют желанием справиться с проблемой узкой специализации квантовых компьютеров. С помощью растущего числа пользователей компания надеется найти новые применения технологии и создать массовую версию устройств. Также открытый доступ позволяет исследователям по всему миру тестировать квантовое решение от IBM. Сейчас платформой пользуются 60 тыс. человек, которые инициировали более 1,7 млн экспериментов.
Также с использованием платформы было написано 35 научных работ, а в университетах по всему миру IBM Quantum Experience используют в качестве наглядного пособия для объяснения принципов квантовой механики, говорит Даниэль Эггар, исследователь из швейцарской лаборатории IBM.
Квантовый компьютер также используют для развлечения: профессор из Базеля Джеймс Вуттон написал несколько простейших игр. Например, пользователь может сыграть в 5-кубитном квантовом компьютере против одного из кубитов в «камень, ножницы, бумага»: ему нужно обмануть кубит.
Российское квантовое комьюнити — четвертое по величине после американского, японского и индийского.
Развитие игр позволит развивать квантовый компьютер в сторону массового использования, обучая пользователей квантовым эффектам в игровой форме, объясняет Вуттон в своем блоге. Так же считает исследователь из Дании Джейкоб Шерсон, который вместе с командой разработал игру Quantum Moves. Игрокам предлагается до трех сценариев, цель каждого — перемещение атома, которое позволяет осуществлять вычисления.
Квантовые задачи
Для объяснения задач, с которыми может справиться квантовый компьютер, IBM использует несколько примеров. Первый: десять гостей за обеденным столом. Вариантов рассадки при таких вводных может быть более 3 млн. Перед устройством ставится задача найти оптимальный с точки зрения устроителей обеда вариант. Классический компьютер тоже может справиться с этим заданием, но его квантовому аналогу потребуется значительно меньше времени.
Второй пример: задача коммивояжера, то есть выбор оптимального с точки зрения времени и протяженности маршрута. Ее уже решала на реальном примере другая компания — D-Wave совместно с Volkswagen применила квантовый компьютер для расчета самых быстрых и коротких маршрутов от аэропорта Пекина до точки назначения. Были проанализированы данные с 10 тыс. автомобилей. Директор по науке Volkswagen Group Мартин Хоффман рассказывает, что на основе полученных в ходе исследования данных компания в марте 2017 года создала платформу, которая способна предупреждать о заторах за 45 минут до их появления.
В целом задачи, в которых квантовый компьютер обходит классический, — вычисление паттернов в больших данных. Это — отличный инструмент городского управления, помогающий оптимизировать и руководить потоками данных, делая жизнь в людских агломерациях проще и удобнее, особенно с развитием интернета вещей, сказал в одном из интервью основатель консалтингового агентства Amyx+ Скотт Амикс.
Также квантовый компьютер подходит для задач, связанных с разложением простых чисел на множители, в сферах, где количество данных растет по экспоненте. К этому типу относится моделирование молекул и атомов, изучение которых с помощью квантового компьютера приведет к прорывам в медицине, строительстве и других сферах, надеются исследователи.
Дарио Гил, вице-президент IBM, в интервью TechСrunch отмечал, что миссией компании является «создание универсального квантового компьютера, который не подвержен критическому количеству ошибок». Это позволит пользователям и исследователям решать не только узкоспециализированные, но и прикладные бытовые задачи, подчеркнул менеджер.
Для поиска новых смыслов квантового компьютера IBM в 2017 году выпустила набор инструментов Quantum Information Software Kit (QISKit). С его помощью можно программировать находящийся в облаке квантовый компьютер. Софт основан на скриптах популярного языка Python.
Жизнь после кванта
Изобретение универсального квантового компьютера несет не только пользу, но и риски. Один из главных — с помощью квантового компьютера можно легко взломать ключи шифрования.
Это угроза для глобальной информационной безопасности, сказал журналу РБК сотрудник научного центра IBM Research Вадим Любашевский. Появление сегодня квантового компьютера достаточной вычислительной мощности сделало бы большинство электронных коммуникаций незащищенными, рассуждает эксперт. Под удар попадают браузеры, мессенджеры и другие платформы.
Любашевский вместе с коллегами из IBM занимается решением этой проблемы. В 2010 году он участвовал в разработке алгоритма, который позволяет отсрочить «тотальный» взлом шифров квантовым компьютером минимум на 20 лет. Протокол получил название New Hope. Он используется в Google Canary, тестовой версии браузера Chrome и на некоторых сайтах, например Google Play. В основе алгоритма лежит так называемая проблема рюкзака — ограниченной емкости, которую необходимо наполнить в зависимости от ситуации.
«Представьте, что у вас есть 1000 чисел, отобранных случайным образом и состоящих из 1000 знаков, и вы случайным образом выбрали из них 500, просуммировали и опубликовали вместе с первоначальной тысячей. Сложность — в определении, какие именно числа вошли в сумму, — объясняет Любашевский. — Возможных вариантов настолько много, что даже квантовому компьютеру, какой бы мощный он ни был, понадобится неоправданно много времени для дешифровки ключа».
Идея не нова: ученые пытались воплотить ее в реальность еще на заре цифрового шифрования данных в 1970-х, но не справились с задачей, рассказывает исследователь IBM. В результате основным стандартом шифрования был признан RSA (аббревиатура образована от первых букв фамилий исследователей). Разработкой нового стандарта тем не менее занимались, понимая, что наступит день, когда вычислительная мощность квантового компьютера достигнет необходимого уровня, отмечает Любашевский.
Прорыв случился в 1990-х в IBM: благодаря работе Миклоша Ажтая в этой сфере мы сумели найти «правильные» способы применения алгоритма, объясняет собеседник журнала РБК. Команда исследователей, в которой работает Любашевский, в ближайшее время планирует предложить новый стандарт шифрования NIST (Национальный институт стандартизации США).
Разработкой новых методов обеспечения безопасности занимается не только IBM. Аналогичные исследования проводят, например, в канадской компании ISARA. И те и другие работают на упреждение — квантовому компьютеру сегодня не хватает мощности для успешного, а главное, быстрого взлома шифров, но в будущей угрозе никто не сомневается.
«Никто больше не говорит «никогда», обсуждая изобретение квантовых машин. Мы все еще на очень ранней стадии развития технологии, но уже за той чертой, когда квантовый компьютер был научной фантастикой», — резюмировал в интервью The Wall Street Journal исполнительный директор ISARA Скотт Тотцке.
Тематический проект о российской винодельческой культуре, вине и спиртных напитках
