Сьогодні науковці вважають квантові комп’ютери справжнім проривом у світі технологій – те, що лише 20 років тому було чимось недосяжним. Вони дозволяють за хвилини робити те, на що раніше у фахівців йшли роки. Наприклад, симуляції численних процесів, які допомагають побудувати прогнози без тривалих теоретичних досліджень і заощаджують час вчених
Микола Максименко – колишній R&D-директор SoftServe, а нині молодий стартапер, який розвиває першу в Україні компанію у сфері квантових досліджень Haiqu і виступає євангелістом науки в технологічній галузі. Разом з партнером Річардом Гіваном вони розробляють технологію, яка дозволяє опрацьовувати складні квантові алгоритми за допомогою доступних сьогодні квантових комп’ютерів і мінімізувати похибку їхньої роботи. А нещодавно команда домовилась про співпрацю з канадським інститутом Perimeter, передовим центром у світі квантово-машинного навчання.
На прохання AIN.UA Микола Максименко розповів, чому квантові обчислення – це «новий чорний».
Почнімо з того, що таке квантові комп’ютери загалом? За яким механізмом вони працюють і чим відрізняються від домашніх ПК?
Квантові обчислення є фактично іншою парадигмою: якщо зазвичай ми користуємося стандартною, так званою двійковою логікою, де є певний регістр, який складається з елементарних одиниць – бітів, нулів та одиниць, то у квантовому світі дещо інша ситуація. Замість бітів є кубіти – це найпростіші квантові системи, що перебувають у двох фізичних квантових станах, як, наприклад, атом з двома енергетичними рівнями.
Ці частинки можуть бути як ті, які ми назвемо нулем або одиницею, так і перебувати в безлічі можливих лінійних комбінацій нуля та одиниці. Ми можемо уявити кубіт у вигляді такого собі вектора на тривимірній сфері Блоха [метод представлення станів кубітів як точок на поверхні сфери – ред.]. Фактично цей вектор може вказувати на позиції будь-якої точки на поверхні цієї сфери. Це вже нескінченна кількість можливих напрямків.
З іншого боку, кубіти можуть перебувати в так званому сплутаному стані. Це квантова сплутаність – одна з фундаментальних властивостей природи.
Квантові обчислення дозволяють одночасно виконувати операції над всіма можливими станами квантового регістру. В класичному випадку це взагалі неможливо без виконання обчислень над кожним окремим станом паралельно.
По-друге, з квантовими обчисленнями люди дійшли розуміння, що природа обчислює складні процеси інакше, ніж ми звикли. Наприклад, хімічні процеси на атомарному рівні відбуваються дуже швидко і ефективно, в той час, як подібна симуляція на класичному комп’ютері може зайняти вічність. І саме на такому мікроскопічному рівні працює квантова механіка.
Зокрема, у фізиці є така сфера досліджень, як аналогові квантові обчислення. В ній люди використовують природні системи, які під дією певних чинників можуть переходити з одного стану в інший. І під час цього переходу можуть робити певні обчислення, на які в стандартному комп’ютері нам би знадобилися сотні років.
Відповідно, звідси з’явилася ідея: чому б нам не зробити обчислення квантово-механічним? Це була перша подібна ідея, яка виникла близько 40 років тому.
Як розвивалося дослідження квантових обчислень надалі?
Базуючись на ідеї квантово-механічного обчислення, люди почали думати, якими будуть елементарні одиниці пам’яті, елементарні операції, так званий універсальний сет операцій, за допомогою якого можна побудувати будь-який алгоритм.
Вчені почали розуміти, що використовуючи квантові обчислення, можна досягти переваги, порівняно зі складними для класичних комп’ютерів задачами.
З іншого боку, тривалий час це була не прикладна ділянка теоретичної фізики та компʼютерної науки, де люди проводили дослідження гіпотетично: якби в нас були квантові комп’ютери, як би виглядали обчислення? Але самих квантових комп’ютерів не існувало до останнього часу, як і розуміння, яким чином ми можемо їх створити. Втім, за останні ~20 років сталися драматичні прориви у різних ділянках фізики та розробки алгоритмів, які дозволили нам опинитись там, де ми є сьогодні.
Зараз людство вже має перші квантові комп’ютери – вони ще дуже маленькі, неідеальні, але існують, і ми навіть можемо запускати на них певні алгоритми, досліджувати на практиці обмеження таких систем і те, якими будуть майбутні застосування квантових комп’ютерів.
Ця галузь дуже швидко розвивається і ми з колегами-науковцями очікуємо, що за десятиріччя вже матимемо цікаві практичні застосування цієї технології.
А станом на зараз які задачі може виконувати квантовий комп’ютер – і не може звичайний? Яку перевагу він має у практичному вимірі?
Йдеться про складні обчислювальні задачі – наприклад, зробити точну симуляцію електронів в певному матеріалі та розрахувати електронну структуру.
Такі симуляції робляться постійно, наприклад, в автомобільній індустрії, енергетиці. Дуже великі кошти витрачаються просто на обчислювальні потужності, які допомагають робити такі обчислення.
З іншого боку є, наприклад, проблема пошуку нових молекул для фармакологічної індустрії та розуміння, як ці молекули проявлятимуть себе за різних умов в організмі людей. Це дуже складна задача з погляду симуляції. І ми досі не вміємо робити точні прорахунки цього. Кілька сотень якісних кубітів дозволять нам робити симуляції такого типу.
Сучасні наближені методи обчислень, які допускають розвʼязок задачі з незначною похибкою і спрощення математичної моделі, можуть призвести, наприклад, до неможливості синтезувати матеріал у лабораторії через те, що не врахували якихось ефектів. І такий «провал», відповідно, дуже дорого коштує. Можливо, навіть кількох років досліджень. Квантові комп’ютери передусім надаватимуть перевагу саме в таких задачах.
Друга категорія — це складні задачі, пов’язані з так званими «Монте-Карло симуляціями» [група методів математичної симуляції для відтворення реальних явищ, що базується на теорії ймовірності – ред.], де в нас є багато різних можливостей стану системи та траєкторій в часі. Це, наприклад, стосується симуляцій в фінансовій системі, де є певний фінансовий інструмент і багато сценаріїв, як може змінюватися його ціна в часі. Чим більше траєкторій ми просимулюємо, тим кращими і точнішими будуть наші результати. Квантовими обчисленнями ми можемо робити симуляції такого типу набагато ефективніше, тому що наш квантовий стан вже може містити інформацію про всі можливі траєкторії.
Відповідно, багато фінансових задач, пов’язаних з аналізом ризиків, планування сценаріїв, можна краще розвʼязувати завдяки застосуванню квантових комп’ютерів.
Насамкінець це задачі логістики і різні складні оптимізаційні задачі. Наприклад, логістика в межах певної країни, коли потрібно щоб певна фура розвезла вантажі в кількох точках максимально оптимізовано відносно витрат пального.
Я можу створити таку типову корпоративну ІТ-систему, в яку менеджер вводить певні дані з точки А в точку Б, і кількість пального, яке можна витратити, а система видає оптимальний шлях. З квантовими обчисленнями ця задача розрахунку і симуляції ціни може бути виконана за кілька хвилин чи годин замість кількох місяців.
Або ж дослідження в хімічній індустрії – це наукоємна індустрія, відповідно, велика частина тамтешнього бюджету витрачається саме на постійні симуляції. Гравці на цьому ринку повинні постійно перебувати на піку наукових досліджень, адже ці компанії конкурують між собою: в кого матеріал має кращі властивості, може бути використаний у більшій кількості сценаріїв застосування у кінцевих продуктах, є дешевшим, легшим і так далі. Відповідно, представники цієї галузі зацікавлені в тому, щоб в них був постійний R&D-процес, де вони знаходять дедалі більше нових типів матеріалів і мінімізують невдалі спроби синтезу.
Чи запроваджені зараз квантові комп’ютери в комерційній сфері, про яку ви розповідали?
Наразі ми працюємо на етапі пілотних проєктів. Тобто в фармкомпаніях і у фінансових компаніях вже є внутрішні команди, що досліджують, які з можливих задач можна буде виконати на квантовому комп’ютері. І вони вже запускають пілотні проєкти маленького масштабу. Але вони ще не застосовуються, наприклад, в межах більших систем, які потім взаємодіють з користувачем або є частиною індустріальних процесів.
Наявні квантові компʼютери – це прототипи. Відповідно, ми поки не можемо очікувати запуску на них продакшн-задач і роботи 24/7. Наразі ми у фазі адаптації до технології. Це фактично навчання людей з нею працювати і осягнення того, які можливості перед нами відкриваються.
Чи дають квантові комп’ютери похибку, яку можна виміряти в обчислювальних задачах?
Так, сучасні квантові комп’ютери наразі не мають технології виправлення помилок (error correction). Відповідно, вони накопичують похибку на кожному кроці виконання алгоритму. І якщо цих кроків занадто багато, тобто якщо ми виконуємо складний алгоритм, то в певний момент ефект від цієї похибки буде такий великий, що він повністю «вб’є» наш результат. Зараз це одна з найбільших проблем у цій сфері.
Нам потрібно розуміти, що отриманий результат далеко не точний, а може бути і геть не точний. Тож варто навчитись оцінювати ці похибки, наразі це теж складне завдання і важлива ділянка досліджень.
Тож опрацювання тривалих алгоритмів може призвести до хибного результату?
Так. В нас є маленькі квантові комп’ютери, вони не тільки маленькі з погляду числа кубітів, а й так само мають дуже сильну похибку. Відповідно, ми можемо запускати алгоритм на малому числі кубітів і з дуже малим числом операцій. Тому алгоритми, про які ми наразі говоримо, є досить простими – вони не можуть бути занадто складними, тому що інакше ми дуже швидко накопичимо значну помилку і результат не матиме змісту. Ми в Haiqu розробляємо технологію, яка покликана зменшити вплив цих похибок.
Як ви взагалі оцінюєте дослідження квантових комп’ютерів, наскільки ця тема популярна серед науковців?
Ця тема зараз на хайпі, адже останнім часом у квантовій галузі було кілька хороших проривів з погляду реалізації квантових комп’ютерів і демонстрації квантової переваги. Поки що це поодинокі та в певному сенсі «іграшкові» задачі, які не мають миттєвого застосування, але принаймні на цих задачах ми можемо показати перевагу квантових обчислень над класичними. Відповідно, це додало віри у цей напрямок і інтерес до квантових комп’ютерів сильно зріс.
Квантові обчислення – одна зі стратегічних технологій у світі майбутнього. Глобальні гравці – наприклад, Сполучені Штати, Велика Британія, Австралія, Канада – вкладають мільярди в те, щоб отримати перевагу в цій сфері. І, відповідно, створюють спеціальні бюджетні фонди, грантові програми саме для розвитку квантових технологій в цих країнах.
Так само розширюються академічні програми – в більшості великих університетів вже є окремі програми з квантових обчислень, деякі навіть мають власні квантові компʼютери. В Європейському союзі існує програма з встановлення сучасних квантових комп’ютерів у ключових академічних обчислювальних центрах. З погляду досліджень – це досить модна тема.
І так само в суміжних галузях, наприклад, в хімії чи в фізиці конденсованого стану, люди вже активніше використовують сучасні квантові комп’ютери. Навіть якщо вони не одразу дають приріст ефективності, експерименти з новим типом обчислень вже є таким собі «правилом хорошого тону» прогресивних наукових груп. Ми можемо симулювати, наприклад, якусь просту молекулу на квантовому комп’ютері й для цього потрібно розробити нові алгоритмічні методи та інфраструктуру. Навіть якщо ці обчислення можна зробити більш ефективно класичними методами, ми таким чином фактично наближаємо той момент, коли зможемо застосувати розроблені методи та квантові комп’ютери для більш яскравих практичних задач.
Ви згадували про драматичні прориви у квантовій сфері за останні 20 років. Можете деталізувати?
Я, можливо, це занадто образно сказав. Я маю на увазі, прориви в тому, як ми створюємо кубіти, як ми їх контролюємо і даємо собі раду з шумом і помилками в цих кубітах. Поясню: шум – це чужорідний сигнал, який приходить через електромагнітні завади, домішки в матеріалах дротів щодо. Є певне кодування інформації, і через шуми у каналі можуть виникнути проблеми в цьому кодуванні. Відповідно нам потрібно або боротись із шумами, або розробляти методи корекції помилок (error correction).
Є інновації, появу яких ми не могли передбачити, наприклад, 20 років тому. Ми крок за кроком покращуємо квантові комп’ютери і суміжний стек технологій. І в цей час у нас з’являються проривні ідеї. Вони дозволяють не чекати 10 років на покрокові інновації для розв’язку якоїсь проблеми, а за рік отримати нову технологію, що дає той самий результат.
На вашу думку, які сьогодні є найактуальніші напрямки, технічні аспекти в дослідженні квантових комп’ютерів, яким варто приділяти увагу?
Науковці шукають найстійкіші до помилок і шумів системи, що можуть легко масштабуватися в майбутньому.
Фактично кожен новий стартап, який приходить на сцену з новим типом кубітів і має певну перевагу над тими, які в нас є сьогодні, отримує досить непогану підтримку від урядів і венчурних інвесторів. Адже чим більше існує різних типів квантових комп’ютерів на ранньому етапі, тим безпечніше наше майбутнє з погляду того, що ми не зайдемо у глухий кут з розвитком цієї технології. Так рано чи пізно один з цих варіантів отримає, напевно, найбільше поширення в майбутньому.
Це один напрямок, в якому люди займаються діяльністю від розробки фізичних систем та чипів до дизайну нових матеріалів, які в них використовуються. Вони працюють у галузі прикладної фізики та інженерії.
З іншого боку, важливим напрямком зараз є так званий квантовий контроль. Це наступний рівень стека над кубітами. На цьому рівні в нас є класична інфраструктура пристроїв, які дозволяють керувати електромагнітними імпульсами, що діють на кубіти, змінюючи або читаючи їхній стан.
Є кілька компаній у світі, які цим займаються. Наприклад, NVIDIA розпочали партнерство з компанією Quantum Machines для створення DGX Quantum – модулю на основі графічних карт для контролю квантових комп’ютерів.
Чи відомо, скільки на сьогодні існує типів квантових комп’ютерів?
Їх вже досить багато, якщо рахувати на пальцях рук, але не так багато, якщо цей домен розглядати як ринок. Можу назвати надпровідні кубіти (superconducting qubits), найпопулярніші зараз через простоту у виготовленні, контролі та масштабуванні. Інший популярний тип кубітів – це так звані іони в пастках (trapped ions). Також поширеною є технологія на основі дефектів у діамантах (азотно-заміщених вакансій).
Ці різні технології мають свої переваги і недоліки. Наприклад, надпровідні кубіти можна легко виготовляти і масштабувати, адже цей процес є майже ідентичним до того, як створюються напівпровідникові процесори. Але в них є проблема – вони дуже сприйнятливі до похибок і до зовнішніх ефектів. З іншого боку, є набагато стабільніші кубіти на основі іонів в пастках, але ця технологія набагато дорожча і є повільнішою з погляду виконання алгоритму. Кубіти на основі діамантів дозволяють створювати квантові чіпи, що працюють за кімнатних температур і не потребують величезних холодильників, які зазвичай є основним елементом на фотографіях сучасних квантових комп’ютерів.
Розкажіть про ваш стартап Haiqu. В чому полягає технологія, яку ви розробляєте, та які проблеми вона розвʼязує?
Сьогоднішні квантові комп’ютери мають малу кількість кубітів і є відносно «шумними», що обмежує складність алгоритмів, які на них можна виконати. Ми з командою працюємо на рівні middleware і створюємо програмне забезпечення, яке допомагає нам запускати більші і складніші квантові алгоритми на цих «шумних» і малих девайсах завдяки зменшенню впливу шуму.
І таким чином виконувати складніші алгоритми з меншою кількістю помилок?
Так, зменшення впливу шуму сприяє зменшенню кількості помилок. На практиці ми дозволяємо виконувати алгоритми з більшою кількістю операцій, які без нас були б повністю зруйновані шумом. Таким чином ми робимо квантові комп’ютери більш практичними.
Наше програмне забезпечення дозволяє запускати алгоритми, для яких в іншому випадку потрібно було б чекати 3-4 роки, поки «залізо» квантових комп’ютерів стане кращим. Наразі увага індустрії націлена на покращення заліза і збільшення числа кубітів. Ми фокусуємось на тому, щоб використовуючи краще програмне забезпечення досягти максимальних результатів з тим залізом, яке нам доступне сьогодні.
На етапі створення цього стартапу вами керував дослідницький інтерес чи була певна комерційна основа?
Взагалі на етапі створення стартапу ми шукали саме ідею для комерціалізації. В мене було багато ідей, з якими я прийшов до інкубатора Creative Destruction Lab. Багато з них є нереалізованими через поточний стан квантових комп’ютерів.
Ми сфокусувались на проблемі, яка вже фактично має свій ринок, і мій попередній досвід досліджень наштовхнув нас на ідею для її вирішення.
З одного боку, ми допомагаємо виробникам квантового «заліза» – ці компанії зацікавлені в тому, щоб залізо працювало краще і дозволяло виконувати складніші алгоритми. З іншого боку, є компанії, які створюють кінцеві алгоритми-застосунки в тих чи інших індустріях, і вони зараз мають проблему через неможливість їх виконати. З цим ми їм можемо допомогти.
Фактично ми вже зараз – на ранньому етапі розвитку стартапу – маємо можливість взаємодіяти з ринком. Але водночас у нас є візія, куди рухатись далі, коли у нас зʼявляться стабільні квантові компʼютери з корекцією помилок, а наша технологія дозволить відкрити нові ринки, що зростають.
На якому етапі зараз ваш стартап?
Ми зараз у фазі глибокого R&D. Технологія вже створена, постійно покращується, і ми патентуємо різні частини нашого стека. Вже запустили кілька пілотних проєктів з дружніми компаніями, де ми показуємо як технологія покращує продуктивність того чи іншого квантового комп’ютера або дозволяє з кращою точністю виконати квантовий алгоритм.
Скільки зараз людей у вашій команді?
Нас вже близько 15, і ми продовжуємо наймати талановитих науковців та інженерів і будуємо тісні зв’язки зі світовими центрами квантових обчислень. Нещодавно домовились про співпрацю з інститутом Perimeter в Канаді. Це дуже престижний заклад, один із центрів досліджень у квантовому машинному навчанні. Фактично науковці з цього інституту були піонерами цього напрямку, а для нас це важлива ділянка R&D. Наша команда в Канаді базуватиметься в цьому інституті і в нашому офісі буде можливість для стажувань талановитих молодих вчених, зокрема з України. Також працюємо над подібними партнерствами з ключовими квантовими центрами в Британії, Швейцарії і США.
