Репортаж с конференции ICQT 2019

15-19 июля в Москве прошла Пятая международная конференция по квантовым технологиям (ICQT 2019). Ее организатор — Российский квантовый центр (RQC), являющийся резидентом центра «Сколково». Специальный корреспондент DX.Media Андрей Васильков делится впечатлениями.

Масштабное мероприятие собрало более ста экспертов из разных стран в области квантовых вычислений и квантовой связи, а также фотоники, плазмоники и других прикладных направлений физики. Многие выступления были посвящены практическим аспектам применения квантовых технологий, что сильно отличало общий информационный фон от подобных конференций прошлых лет.

На этот раз речь шла не столько о гипотетических моделях и туманном будущем, сколько о непосредственном опыте внедрения экспериментальных линий квантовой связи и адаптации квантовых компьютеров (на примере D-Wave) для решения реальных задач. Обсуждались текущие и выполненные проекты, особенности конкретного оборудования и варианты его интеграции в существующую ИТ-инфраструктуру.

Словом, квантовые технологии перестали быть чем-то фантастическим. Они воспринимались участниками конференции уже как воплощенные в реальность системы, чей выход на серийное производство начался в прошлом году. Конечно, пока они доступны только гигантам уровня Сбербанка и Газпрома. Однако их уже можно «пощупать в железе» на стендах RQC и партнеров, а если повезет, то и опробовать во время публичной демонстрации.

Современное состояние

Доклады были разбиты на несколько секций по направлениям и уровню сложности. На мой взгляд, все самое интересное происходило на закрытой части 17 июля в гостинице «Украина» (принадлежит сети Radisson Collection). На сами доклады и обсуждения журналистов не пускали, но увлеченные исследователи продолжали свои дискуссии во время перерывов. За несколько минут в холле можно было узнать о реальном состоянии квантовых технологий больше, чем за несколько часов лекций для широкой аудитории.

Если кратко резюмировать невольно услышанное, то из перспективного направления квантовые технологий превратились в реально востребованное бизнесом и правительством уже сейчас. Они интересны с точки зрения как защиты информации, так и новых способов ее обработки. Пока представленные решения трудно назвать самодостаточными. Скорее, квантовые модули заменяют отдельные части привычных электронных систем, усиливая их безопасность.

Квантовый Интернет в офис вам пока не предложат, но квантовая связь уже сейчас успешно используется для процедуры обмена ключами шифрования (QKD — Quantum key distribution). На уровне канала она получается надежно защищенной от прослушивания и подмены за счет физических законов, а вот в остальных узлах системы сохраняется ряд потенциальных векторов атаки. Поэтому квантовая линия — это еще не гарантия безопасности. Все зависит от конкретной физической реализации. Для изучения практической безопасности квантовых линий связи при RQC создана «Лаборатория квантового взлома», где под руководством Вадима Макарова уже продемонстрирована возможность выполнения различных атак.

Фотоны запутались в бороде руководителя Лаборатории квантового взлома РКЦ Вадима Макарова. Фото: Andrew Vasilkov / DX.media

Квантовые компьютеры

Несколько лет назад я писал научно-популярные статьи про квантовые вычисления и рассказывал об экспериментальных установках с небольшим числом кубитов (5-50). Тогда мне казалось, что на этом масштабе технологии будут топтаться еще долго, поэтому я переключился на другие темы и перестал следить за прогрессом в этой области.

Попав на ICQT 2019, я был приятно удивлен тем, что квантовые компьютеры уже перестали быть дорогими лабораторными игрушками. Например, D-Wave 2000Q оперирует 2048 кубитами и, что гораздо важнее, реально используется для ускорения расчетов. Недавно концерн Volkswagen выполнил на нем квадратичную неограниченную бинарную оптимизацию GPS-треков нескольких сотен такси в Пекине. Это позволило быстро рассчитать идеальные маршруты движения в объезд пробок, решив острую проблему управления городским трафиком. Уже в следующем году D-Wave готовится представить еще более совершенную модель (Pegasus), в которой будет более 5 тысяч кубитов и по 15 соединений на каждый из них.

Квантовые компьютеры сейчас работают как специфические ускорители, выполняя отдельные операции эффективнее процессоров общего назначения. В основном это задачи факторизации и быстрого преобразования Фурье, часто встречающиеся в логистике, системах связи, финансовой аналитике, молекулярной биологии и других сферах. Сейчас эти направления активно развиваются за счет облачных вычислений. Квантовые расчеты тоже можно предоставлять по модели SaaS — был бы подходящий алгоритм. Такие алгоритмы сейчас разрабатываются с учетом конкретных архитектур и специфических бизнес-задач. Делается это не с нуля, так как базовый математический аппарат для квантовых систем был разработан еще в XX веке. Например, шведская компания Phase Space Computing привезла на ICQT 2019 обучающие наборы для наглядной демонстрации протокола BB84 и алгоритма Дойча — Йожи. Они выполнены на электронных платах, которые имитируют поведение квантовых вентилей.

Что сдерживает квантовый скачок?

Основная проблема физической реализации квантовых компьютеров касается неконтролируемых взаимодействий кубитов с окружающей средой. В результате происходит спонтанная декогеренция и разрушается состояние суперпозиции. Кубиты в когерентном состоянии приходится генерировать заново, повторяя процедуру много раз.

В работе квантовых систем связи также используется принцип суперпозиции: две частицы (например, пара фотонов) генерируются во взаимосвязанном (когерентном) состоянии на источнике. Они должны оставаться в нем до тех пор, пока не достигнут приемника (однофотонного детектора). Однако этого редко удается достичь при обычных условиях и в масштабах крупнее лабораторного стенда. Чем больше пробег, тем сильнее влияют на перемещение фотонов эффекты поглощения и рассеивания.

Особенно сильно спонтанная декогеренция проявляется при попытке передать запутанные фотоны через атмосферу, как это делали в китайском эксперименте 2017 года со спутником Micius. Формально сеанс квантовой связи тогда состоялся, но примерно полтора миллиарда пар запутанных фотонов (то есть почти все) не были использованы для кодирования данных из-за влияния различных шумов. Процент фотонов, сохранивших состояние суперпозиции, составил всего 0,00091%. Столь ничтожный выход был получен при идеальных условиях (безветренная безлунная ночь) и при использовании огромного телескопа, установленного на вершине горы. Более того, спутник находился в пределах видимости наземной станции менее пяти минут в сутки и не успел передать за это время даже один ключ шифрования. Поэтому, несмотря на громкую публикацию в Science, спутниковая квантовая связь оказалась практически недостижима. Ее гораздо проще организовать не с наземной станцией, а между орбитальными аппаратами — в вакууме и на теневой стороне. В земных же условиях для квантовой связи гораздо эффективнее использовать более изолированную среду передачи данных — например, обычные оптоволоконные кабели.

С небес на землю

Все экспериментальные линии квантовой связи сегодня реализованы на базе одномодового волоконно-оптического кабеля. У него очень низкий (но не нулевой) коэффициент затухания, поэтому линию удается организовать в пределах нескольких десятков километров — пока сохраняется приемлемый процент потерь.

Для увеличения расстояния свыше 100 км потребуются промежуточные узлы, но с ними возникает проблема доверия. Если для увеличения дальности на них использовать существующее активное оборудование (регенераторы, усилители с оптоэлектронными преобразователями), то последние выполнят контролируемую декогеренцию (как на приемнике). В результате измерения фазы произойдет мгновенное схлопывание волновой функции фотона с разглашением закодированной информации. Придется считать этот узел доверенным, но так теряется смысл квантовой защиты от атаки посредника. Если же мы хотим генерировать новые запутанные фотоны вслепую (без измерения их фазы), то на промежуточных узлах потребуются модули квантовой памяти, которые пока не разработаны.

Сейчас в линиях квантовой связи ограничиваются одним одномодовым оптоволокном. С неконтролируемой декогеренцией в нем борются в основном за счет более строгой изоляции и избыточности. В квантовой связи приходится повторять отправку запутанных фотонов (тысячи раз ради одного прошедшего проверку на приемнике), а на квантовых компьютерах — повторно запускать циклы вычислений.

День открытых дверей

18 июля RQC провел открытую встречу для широкой аудитории. Она проходила на территории Конгресс-холла напротив здания гостиницы «Украина». С приветственной речью выступил Джордан Френч (Jordan French), исполнительный редактор Grit Daily. Он отметил, как сложно описывать квантовые явления популярным языком, поскольку поведение отдельных частиц противоречит нашей интуиции. Люди всегда стараются найти какие-то аналогии из макромира и сделать множество допущений, лишь бы оставаться в рамках привычных понятий и не переходить на язык математики.

Следом на сцену поднялся Павел Бунык, главный архитектор вычислительных систем канадской фирмы D-Wave. Сегодня это одна из самых коммерчески успешных компаний, которая от стадии лабораторных экспериментов перешла к решению практических задач. Именно поэтому его доклад назывался Practical Quantum Computing.

Помимо упомянутой выше совместной работы с Volkswagen, D-Wave помогает оптимизировать логистику на заводах и рассчитывать дозы облучения при химиотерапии гораздо точнее. В настоящее время ее представители договариваются с десятками других партнеров из самых разных областей.

В ходе выступления Павел кратко рассказал историю своего становления, а затем переключился на знаковые достижения D-Wave. За 15 лет компания зарегистрировала 175 патентов и заработала свыше $75 млн на выполнении контрактов от 40 заказчиков. По его утверждению, на сегодня это первый в мире разработчик квантовых компьютеров, сделавший их коммерчески доступным решением.

После выступления Буныка я ушел на интервью (его мы опубликуем отдельно), поэтому следующим докладчиком для меня стал глава глобального направления кибербезопасности компании PwC Грант Уотерфолл. Он отметил, что прорывные технологии взаимно влияют друг на друга, а квантовые вычисления способны не просто ускорить, а перевести их все на новый уровень.

Уотерфолл также напомнил, что самые большие опасения в отношении квантовых компьютеров связаны с тем, что они положат конец классической криптографии. Надежность любых систем шифрования базируется исключительно на вычислительной сложности подбора ключа. Для квантового компьютера это не будет долгим процессом в силу особенностей его работы. Упрощенно говоря, он не будет перебирать множество вариантов один за другим, а проверит их параллельно. Когда я слышал это в эпоху осторожных манипуляций с отдельными кубитами, подобные заявления казались научной фантастикой. Однако сегодня счет идет на тысячи кубитов и проблема масштабирования квантовых систем успешно решается. Вероятно, конец RSA и других популярных криптографических алгоритмов наступит уже в ближайшие 10-15 лет.

Завершало день выступление Хартмута Невена, технического директора Google и руководителя квантовой лаборатории искусственного интеллекта. Он рассказал, что Google давно использует нейронные сети в разных сервисах, но для обретения полной силы ИИ требуется квантовый фундамент. В частности, с квантовыми компьютерами Google связывает решение проблемы поиска по неструктурированным данным.

Симуляция разных физических процессов, включая моделирование климата и работу искусственных нейронных сетей, часто выходит за пределы возможностей обычных компьютеров. Как говорил Фейнман, «если вы хотите сделать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической».

Квантовые вычисления могли бы перевести моделирование физических процессов и технологии машинного обучения на новый уровень, но для этого требуется не просто массив с тысячами или миллионами кубитов, а определенная архитектура с большим количеством связей. Пока таких нет: тот же D-Wave 2000Q использует кластерную архитектуру с группами по восемь кубитов и обеспечивает в среднем три соединения на каждый.

Вместо заключения

По словам Хартмута Невена, в ближайшие годы квантовые компьютеры будут оснащаться процессорами типа NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), ориентированными на узкий круг задач. На них уже можно будет создавать некоторые квантовые нейронные сети, используя мощные алгоритмы коррекции ошибок. Понадобится еще лет десять, прежде чем появится отказоустойчивая и более универсальная квантовая система, содержащая порядка ста тысяч кубитов и с количеством межкубитовых связей более миллиона.

Если темпы прогресса в этой области сохранятся, то примерно в 2030 году классические компьютеры уйдут в прошлое, так как квантовые системы смогут практически мгновенно решать вычислительно сложные задачи сегодняшнего дня. Это называется квантовым превосходством, предвестники которого мы видим уже сейчас.