Что такое квантовый компьютер? Сложный, но посильный вопрос. А как он работает и для чего нужен? Вот тут уже сложнее. Наша команда Microsoft Research в рамках проекта Quantum (QuArC) занимается разработкой квантового будущего. И у них получается. В этой статье вы найдете интервью с членом команды разработчиков — Кристой Свор. Она расскажет о кубитах и -273 °C. Подробнее под катом!
Когда речь идет о квантовых вычислениях, а вы глубокомысленно киваете в ответ, хотя на самом деле в недоумении, не сомневайтесь, многие тоже недоумевают. Некоторые умнейшие люди на планете признают, что они тоже не понимают, что это такое. К счастью, другие известные деятели, такие как доктор Криста Свор, главный руководитель исследований в рамках проекта Microsoft Quantum или QuArC подразделения Microsoft Research в Редмонде, действительно понимают суть квантовых вычислений и прилагают все усилия, чтобы сделать внедрить эти технологии в жизнь.
А сегодня доктор Свор расскажет нам о своей страсти к квантовым алгоритмам и их потенциальных преимуществах с точки зрения решения некоторых из самых сложных мировых задач. Она объяснит, почему топологический квантовый бит Microsoft или «кубит» стал революционным открытием в области квантовых вычислений, а также расскажет о том, что несмотря на то, что сами кубиты «живут» в криогенно-вакуумных установках при температуре, близкой к абсолютному нулю, исследователи квантового мира продолжают работать в своих уютных офисах, используя при этом компьютерную программу, созданную на основе «кота Шрёдингера».
Итак, Криста. Ваши исследования направлены на изучение квантовых алгоритмов. Расскажите нам, в чем особенность квантовых алгоритмов и почему вас привлекла именно эта область исследований.
На мой взгляд, квантовые алгоритмы действительно могут помочь нам решить те задачи, с которыми цифровые компьютеры просто не в состоянии справиться. Кванты, или квантовые вычисления в целом, открывают для нас просто потрясающие возможности. Так что для меня квантовые алгоритмы — это способ решения различных задач с применением специальных компьютеров.
Алгоритмы — это сценарии, которые выполняются вычислительной машиной. И поэтому разработка квантовых алгоритмов, которые могут решать реальные проблемы реального мира и оказать действительное значимое влияние — это большое дело, и в этом моя большая страсть. Я хочу увидеть, как мы можем изменить наш мир, изменить наши представления об экологически чистой энергетике или производстве экологически чистых продуктов питания. Я имею в виду задачи, которые затрагивают всё человечество. Мы можем решить некоторые из них, или, по крайней мере, сделать все возможное для их решения, с помощью квантовых алгоритмов и квантовых компьютеров.
В какой момент вы поняли, что квантовые алгоритмы — это именно то, чем вы действительно хотите заниматься?
Да, хороший вопрос! В колледже я изучала математику. На первом курсе учебы в университете у нас был семинар, который вел Эндрю Уайлс, известный математик. Он доказал Великую теорему Ферма. Этот семинар был посвящен криптографии, так вот на этом семинаре он поделился с нами идеей о том, что должна быть некая модель вычислений, способная взломать криптосистему RSA, которую мы повсеместно используем сегодня, с помощью факторинга. Он рассказал нам, что эта модель вычислений, а именно модель квантовых вычислений, действительно может взломать эту криптосистему. Вот тогда-то я и была вдохновлена идеей о том, что есть и другая модель вычислений.
Также я очень интересовалась информатикой, поэтому мне хотелось понять, как эта модель используется на практике. То есть, как написать такой алгоритм для вычислений? Как создать язык программирования и программный стек, чтобы затем реализовать этот алгоритм для работы на реальном оборудовании? Эти вопросы положили начало многолетним исследованиям и моему стремлению заниматься квантовыми вычислениями.
Итак, мы рассчитываем на довольно высокий уровень технической подготовки наших слушателей. Пожалуй, мы не можем назвать этот подкаст «Кванты для чайников».
Да.
Но я думаю, что небольшой экскурс будет не лишним. Итак, что такое квантовые вычисления и чем они отличаются от классических вычислений? У нас есть на это две минуты. Расскажите.
Итак, квантовые вычисления основаны на принципах квантовой механики. И эти принципы кардинально отличаются от классических. Суперпозиция, квантовая запутанность, интерференция, вы встречали эти термины, если вы слушали лекции Фейнмана, Ричарда Фейнмана, или изучали заметки и статьи Эйнштейна.
Например, квантовая запутанность очень интересное явление, при котором две системы оказываются взаимозависимыми, и они сохраняют свою взаимозависимость даже если они находятся в разных вселенных. Так что когда происходят какие-то изменения в одной системе, то они мгновенно проявляются в другой. Это просто невероятно. Или вот такое явление как суперпозиция. Если у меня есть квантовый компьютер, я использую суперпозицию для хранения информации на нем. То есть биты не используются, как в классическом компьютере, классический компьютер, конечно, просто двоичный. Он включается и выключается. Он работает как переключатель.
Что касается квантового компьютера, я бы сравнила его с работой плавного регулятора. Ваша информация хранится в квантовом состоянии. И в этом квантовом состоянии 0 и 1 могут сосуществовать одновременно. Это линейная комбинация нуля и единицы. И это делает возможным масштабирование и позволяет достичь поистине потрясающего экспоненциального увеличения производительности с помощью квантовых вычислений.
Вы руководите группой Microsoft QuArC — Quantum Architecture and Computation (Квантовая архитектура и вычисления) — в составе подразделения Microsoft Research в Редмонде. Расскажите о вашей команде, партнерских отношениях и вашем видении квантовых вычислений.
Да, мы создали группу QuArC, я думаю, лет семь назад. Мы начали размышлять о том, что мы собственно хотим получить от квантового компьютера. У него есть большие перспективы, большой потенциал. Но как все это реализовать на практике? Как мы будем программировать? Как реализовать алгоритм на аппаратном уровне? Вы же помните, что принципы здесь совершенно иные? Системы принципиально разные.
Для этого нужны классические компьютеры, отличные от тех, которые создавались ранее, помимо, собственно, квантового компьютера и квантовой системы, которые также никогда до этого не создавались. И мы сосредоточили внимание на том, чтобы не просто найти ответы на эти вопросы, но и сделать эти технологии более доступными.
Итак, вам это только что удалось. Расскажите о пакете средств для разработки, который вы недавно выпустили.
Да. Мы так рады. Мы выпустили пакет средств разработки квантовых систем — Quantum Development Kit. Этот комплект, Quantum Development Kit, действительно поможет сделать квантовые вычисления более доступными для разработчиков, энтузиастов квантовых технологий, студентов, ученых, исследователей и всех тех, кто заинтересован в том, чтобы научиться использовать этот уникальный ресурс.
Разумеется, в комплект входит новый специализированный язык программирования для квантовых вычислений. Мы назвали этот язык Q#. И встроили Q# в Visual Studio. Таким образом, вы не только получаете этот новый язык программирования, но и можете использовать с ним все дополнительные преимущества Visual Studio — все эти замечательные инструменты, такие как отладка, подсветка кода, подсветка синтаксиса и подсказки, всплывающие при наведении курсора на функции и операции. Такой подход делает эти технологии гораздо более доступными и, надеюсь, снижает «входной порог» в мир квантовых вычислений.
Нужно ли быть экспертом в квантовой механике или квантовой физике, чтобы во всем этом разобраться и начать программировать для таких систем?
Вы знаете, мы очень надеемся, что это не обязательно. Если бы мы ориентировались только на разработчиков, которые разбираются в квантовой механике, то это была бы очень небольшая группа специалистов. А мы действительно хотим представить квантовые вычисления для широкой аудитории, сделать их доступными для всех. Так что идея в том, что вам не нужно знать квантовую механику.
Но сама я из этой сферы, я эксперт в области компьютерных технологий. Я не ученый-физик. Я не изучала квантовую механику в колледже. Я подхожу к этому с точки зрения эксперта в области компьютерных технологий, который желает это использовать для изменения подходов к организации вычислений. Мы надеемся, что все больше людей начнут открывать для себя эту новую область, начнут разрабатывать алгоритмы и приложения в этой среде. А квантовую механику знать не обязательно.
И это замечательно, потому что многие могут сразу же отказаться от идеи войти в мир квантовых вычислений, если входной порог окажется для них слишком высок, так что… Насколько сильно Q#, этот квантовый язык программирования, отличается от других языков программирования, и работает ли он в данный момент на реальных квантовых компьютерах или только на эмуляторах?
Q# действительно создан для квантовых компьютеров и модели вычислений, используемой на квантовом компьютере. Но и от классических языков программирования он унаследовал очень многое. Важно помнить, что квантовый компьютер — это гибридное устройство. Оно похоже на сопроцессор или ускоритель. То есть большую часть своего приложения и обертку вы пишите на стандартном языке, а затем вызываете программу, разработанную на языке Q#, которая, в свою очередь, выполняется на квантовом ускорителе.
Мы разрабатывали язык Q#, опираясь именно на такую концепцию. Основная идея заключается в том, чтобы использовать Q# для упрощенной настройки таких вещей, как суперпозиция, запутанность и интерференция, с целью разработки вашего квантового алгоритма и обеспечения возможности его развития. Функциональные возможности, задействованные в квантовых алгоритмах, кардинально отличаются от тех, которые мы используем в классических алгоритмах. И с помощью Q# мы выводим это все на первый план, упрощая задачу разработчику.
Одной из главных проблем в квантовых вычислениях является нестабильность кубитов, и эту проблему, по вашему мнению, должна решить концепция топологического кубита. Или уже решает…
Да.
Итак, что представляет собой топологический кубит и чем он может помочь в квантовых вычислениях?
Верно, в квантовых вычислениях мы используем кубиты. Кубиты — это способ хранения информации в квантовом компьютере. Это «квантовые биты». Сокращенно, «кубиты». Так вот, важно понять, что эти кубиты постоянно взаимодействуют со своей средой. Это не очень хорошее свойство для квантовых вычислений. Нам нужно, чтобы они оставались в вакууме, чтобы они были изолированы от теплового шума и других шумов. А когда они начинают запутываться со своей средой, это означает, что они становятся «шумными». Эта запутанность со средой приводит к потере информацию в кубите. Этого нельзя допустить. Систему нужно изолировать.
Существуют различные способы изоляции системы. Но подход компании Microsoft здесь по-настоящему уникален, и он обеспечивает максимальную масштабируемость. Мы должны разработать способ хранения и обработки информации на квантовом компьютере. И обеспечить при этом более высокую надежность. Я имею в виду, уже сейчас, на этапе разработки концепции. Представьте, что вы хотите построить небоскреб, а у меня есть кирпич. И все мы считаем, что кирпичи довольно прочные. Но вы же не будете пытаться выстроить небоскреб из кирпичей?
Верно.
Это нереально сложно. То есть вы, скорее всего, откажетесь от этой затеи. Для этого лучше использовать сталь. Итак, сталь лучше подойдет для строительства небоскреба, и этот материал позволит вам быстро смасштабировать проект. Эта конструкция будет намного более устойчива к изменениям, стихийным бедствиям и остальным внешним воздействиям.
Итак, представим, что наш кубит — это стальной кубит. И наша система на основе стальных кубитов, топологических кубитов, как мы их называем, будет масштабироваться гораздо проще, и для этого потребуется меньше усилий, меньше дополнительных ресурсов, меньше дополнительных затрат, меньше дополнительного времени, а в результате вы получите большее количество вычислительных возможностей, большее количество кубитов. То есть вы сможете сделать больше, приложив меньше усилий. Можно будет выполнять больше вычислений, используя меньше кубитов, поскольку они как сталь. Они очень, очень крепкие.
То есть вы хотите сказать, что это другой тип кубитов?
Верно.
И это является ноу-хау Microsoft Research?
Да. Исследования Михаила Фридмана, который присоединился к MSR в конце 90-х годов, и его идеи легли в основу этого кубита, над ними он работал вместе с Алексеем Китаевым, который в то время работал в команде Microsoft, а также с другими коллегами и партнерами в нескольких университетах. Идеи, давшие старт разработке этого кубита, на самом деле родились в Microsoft, в частности в Microsoft Research.
То есть здесь они были переведены в концептуальную плоскость.
Да, именно так.
Давайте поговорим о системе квантовых вычислений. Квантовый компьютер не работает сам по себе, ему нужна определенная экосистема. Расскажите слушателям немного о том, что именно должно произойти, прежде чем квантовый компьютер сможет начать работать в нашем ограниченном мире.
Здесь идет речь о квантовой экосистеме, и у компании Microsoft есть свой уникальный подход, наш подход состоит в том, чтобы построить всеобъемлющую масштабируемую квантовую систему. Недостаточно просто построить квантовый компьютер, который даст нам 50 или 100 кубитов. Мы хотим, чтобы квантовый компьютер мог масштабировать тысячи кубитов, десятки тысяч, сотни тысяч кубитов и более. Это даст нам поистине уникальные возможности и поможет решить самые сложные мировые проблемы.
Итак, если мы говорим об экосистеме, из чего она состоит? Во-первых, нам нужен кубит для хранения и обработки информации с применением принципов квантовой механики. Этот кубит хранится в нашей системе при температуре, измеряемой в милликельвинах. Чтобы было понятнее, это очень близко к абсолютному нулю. То есть, во-первых, вы должны поместить всю систему в криогенную установку, чтобы поддерживать кубиты в холоде, защищая кубиты от шума, от взаимодействия и перепутывания со средой. Кроме того, нам нужна система или стек, если мы хотим чтобы наш квантовый компьютер работал, верно? То есть нам нужны средства программирования.
Итак, мы разрабатываем квантовые алгоритмы, и я не знаю, как остальные слушатели, но я предпочитаю создавать квантовые алгоритмы при комнатной температуре. И мне нужно будет взаимодействовать с этой системой, которая функционирует при абсолютном нуле, а это примерно минус 459 градусов по Фаренгейту. Каким-то образом мне нужно передать эту программу, эту контролируемую информацию, квантовому чипу. Это означает, что в составе системы должна быть область управления. И нам придется запускать квантовые вычисления, подпрограммы, если хотите, из под классической программы. То есть без классического компьютера все-таки не обойтись. А этот компьютер должен работать, скажем, при минус 270 градусах по Цельсию.
Таким образом, мы должны спроектировать и создать не только квантовый чип, но и этот классический компьютер, который совсем не похож на любой другой классический компьютер, который мы когда-либо разрабатывали. Он должен работать при температурах, при которых мы никогда даже не пытались запускать классические компьютеры. Итак, мы проектируем и его. Мы разрабатываем сам квантовый чип и все программное обеспечение для связки всех компонентов. Затем нужно будет скомпилировать программу для этой системы. Поэтому мы разрабатываем не только комплексный стек оборудования, но и комплексный стек программного обеспечения.
То есть вам необходимо решить междисциплинарную задачу.
Верно. Конечно, еще одна ключевая и уникальная особенность нашей квантовой программы, программы Microsoft и Microsoft Research, — это наша команда. Мы объединили специалистов в разных областях в замечательную международную команду. Это не только ученые-физики. Также необходимы эксперты в области компьютерных технологий. Нужны инженеры, специализирующиеся в электротехнике. Без специалистов по криогенным технологиям тоже не обойтись. А еще разработчики, инженеры по программному обеспечению… Продолжать можно долго.
И нам удалось собрать потрясающую «команду мечты», включив в нее специалистов из более чем 10 стран мира. Вместе мы работаем над комплексной квантовой системой, учитывая абсолютно все ее аспекты. В команду вошли настоящие профессионалы своего дела. Знаете ли вы, например, что Майкл Фридман, который помог запустить саму квантовую программу в Microsoft, является лауреатом Филдсовской премии по математике? В нашей команде трудится основатель компании Cray Computing. У нас есть ведущий архитектор из компании Intel. С нами работают специалисты в области экспериментальной физики из профессорского состава Гарварда и Делфта, а также ученые, получившие награды за различные достижения в области вычислительной физики. Все эти замечательные люди работают вместе над этой задачей, они горят этим сами и вдохновляют других.
Включая и вас.
Ах да, спасибо.
Давайте перейдем к сливкам на торте. В нашей прошлой беседе вы поведали мне, что квантовые компьютеры в небольшом количестве уже существуют. Не просто какие-то эмуляторы, а настоящие квантовые компьютеры. Насколько они производительны? С каким проблемами вы сталкиваетесь при масштабировании этих систем?
Да, это потрясающе, на сегодняшний день у нас действительно есть относительно небольшие прототипы квантовых компьютеров. Так вот, наши квантовые компьютеры используют в своей работе тот самый тип кубита, который я сравнила ранее с кирпичом. Главная проблема в том, что для масштабирования нам придется приложить слишком много усилий и потратить слишком много ресурсов, поскольку точность вычислений пока невысока. И когда я говорю много, я имею в виду, что для каждого кубита на уровне алгоритма мне может понадобиться от 1000 до 10 000 физических кубитов в моем квантовом устройстве. Мы называем это «логический кубит».
Теперь, когда появился топологический кубит, над которым мы работаем в Microsoft, такой перерасход ресурсов больше не нужен. Это реализовано на аппаратном уровне. Такого подхода мы придерживались с самого начала, когда только начинали работу над кубитом. И один топологический кубит, по нашему мнению, будет эквивалентен примерно от 1 000 до 10 000 этих других кубитов.
Таковы порядки величин.
Да, это так.
Есть ли надежда на то, что топологический кубит можно будет активно использовать в ближайшее время?
Конечно, мы прикладываем все усилия для того, чтобы как можно скорее подготовить рабочий прототип квантового компьютера, использующего в своей работе топологические кубиты.
Это будет сенсация.
Сейчас мы более чем уверены, что это неизбежно.
Оказаться в это время в этом месте — большая удача, не так ли?
Да, это непередаваемые ощущения. Как будто сбылась мечта всей жизни.
Расскажите немного о потенциальном влиянии квантовых вычислений на такие направления, как искусственный интеллект и машинное обучение.
Конечно. Знаете, когда я пришла в Microsoft Research чуть более 11 лет назад, машинное обучение было одним из первых, над чем я работала. Вместе с замечательными специалистами из компании Bing я занималась алгоритмами ранжирования для веб-поиска, а также другими задачами. Примечательно, что в то время я защитила докторскую диссертацию по квантовым вычислениям и продолжила изучать машинное обучение. Конечно, тогда я не могла предположить, что не пройдет и десяти лет, и мы будем активно интегрировать эти области.
И вот около 6 лет назад, наверное, мы начали работать над нашими первыми алгоритмами для квантовой вычислительной машины. Я действительно считаю, что за последние несколько лет нам удалось значительно расширить привычные рамки. Очень радостно видеть, что нам удается добиться ускорения в квантовом машинном обучении. Таким образом, используя квантовый алгоритм для обучения, например, глубокой нейронной сети, машины Больцмана или персептрона, вы можете значительно ускорить все эти процессы машинного обучения.
Еще больше воодушевляет тот факт, что при квантовом машинном обучении у нас есть это устройство, этот квантовый компьютер у нас под рукой, и он может моделировать саму природу. Именно об этом и говорил Фейнман. Об этой удивительной и ошеломляющей способности природы творить. С помощью квантового компьютера вы можете приблизить свои вычисления к вычислениям, которые выполняет природа, к примеру, можно будет разгадать шаблоны или модели, характерные для речи, языка и зрения. Я думаю, это замечательно, и мы видим, что при добавлении этих квантовых свойств или квантовых терминов в модели можно значительно улучшить сегодняшнюю модель данных или модель информации. Это меняет всё на фундаментальном уровне.
Верно. Продолжим на той же ноте, расскажите, каково потенциальное влияние на такие вещи, как криптография, безопасность, конфиденциальность. Потому что именно здесь, как мне кажется, нас ждут не только большие перспективы, но и большие риски.
Верно. Одним из первых наших квантовых алгоритмов стал алгоритм Питера Шора, который появился в 1994 г. и который показывает, что вы можете эффективно выполнять так называемый факторинг на квантовом компьютере. Почему для нас важен факторинг? Эта технология лежит в основе почти всех цифровых схем шифрования, которые мы используем, практически всех криптосистем в Интернете. Многие подумали: «О, ничего себе!», верно? И квантовый компьютер способен атаковать и взломать эту криптосистему. Это воспринимается как угроза.
Но хорошая новость в том, что существуют криптосистемы, которые квантовый компьютер не способен атаковать. И это направление Microsoft Research тоже развивает. У нас есть целая команда, которая этим занимается, они анализируют, какие протоколы будут устойчивыми к квантовым атакам, смогут выстоять против квантовых компьютеров. И это классические системы. Классические системы, которые могут легко и просто заменить собой такие вещи, как RSA. Мы уже знаем эти протоколы, например, команда Брайана Ла Маккии в Microsoft Research работает над этим, и у них есть протоколы, которые, по их мнению, являются достаточно надежными. Конечно же, нам потребуется, может быть, десятилетие, чтобы перевести все программное обеспечение, все заявки с RSA на новые протоколы с нашим существующим программном обеспечении.
Верно.
Но если мы начнем прямо сейчас, мы сможем основательно подготовиться. Кроме того, когда у нас будет квантовый компьютер, способный взломать RSA, мы не будем использовать его таким образом, с его помощью мы постараемся решить реальные проблемы современного мира, например, воплотить в жизнь наши представления об экологически чистой энергетике или производстве полезных продуктов питания. Снижение уровня диоксида углерода, например. И к тому времени у нас будут надежные системы безопасности.
То есть вы рассматриваете проблему сразу в двух аспектах…
Верно.
Создаете технологии и одновременно стараетесь не допустить их злонамеренного использования?
Верно. Да, мы знаем, как это предотвратить, для этого необходимо реализовать то, что мы называем пост-квантовыми методами криптографии. Это классические методы, которые смогут выстоять против квантовых атак. Они есть, и они тщательно изучаются. Например, Национальный институт стандартов и технологий США изучает эти протоколы, чтобы вынести решение о том, какой протокол рекомендовать для последующего использования.
Интересно.
Это все происходит в настоящий момент.
Отлично. Вы сказали, что одно из преимуществ исследований в области квантовых технологий заключается в том, что они одновременно выявляют проблемы, характерные как для квантовых вычислений, так и для классических. Что вам уже удалось обнаружить?
Да, это замечательно, часто бывает так, что когда начинаешь изучать какую-то одну область, то в процессе ее изучения рождаются эти превосходные идеи, которые помогают улучшить какую-то другую область. В данном случае, источником наших замечательных идей являются квантовые технологии. Они помогли нам узнать много нового про классические вычисления. На самом деле, когда мы начали работать над квантовым машинным обучением, мы были просто потрясены, когда нам удалось добиться экспоненциального ускорения, оставив далеко позади новейшие технологии сегодняшнего дня. Мы создали алгоритм для квантового машинного обучения. А когда мы сильно углубились в предметную область, то поняли, что эти идеи вполне применимы и к классическому машинному обучению. И нам удалось ускорить классический алгоритм. Это превосходный «побочный эффект» изучения квантовых вычислений.
Это происходит и сейчас, просто я привела только один пример. Это происходит постоянно в процессе машинного обучения, оптимизации и в теоретической информатике. Мы все больше узнаем о классических функциях и о том, как выполнять классическую оптимизацию, и мы значительно улучшаем эти методы, опираясь на идеи, которые рождаются в процессе освоения квантовых вычислений и разработки квантовых алгоритмов и так далее.
Как вы пришли в Microsoft Research? Как вы оказалась здесь?
Я получила докторскую степень по информатике в Колумбийском университете, и мой руководитель был или, вернее сказать, является настоящим фанатом Microsoft Research, поэтому он настоял на том, чтобы я внимательно присмотрелась к Microsoft Research в качестве потенциального места работы. В то время я работала над диссертацией по квантовым вычислениям. Моя работа была посвящена отказоустойчивым масштабируемым квантовым вычислениям. Этим я и занимаюсь до сих пор. Вот так возник мой интерес к Microsoft.
Я слышала, что у этой компании есть невероятная экосистема, и что на них работает такое количество специалистов с научной степенью в области компьютерных наук, которого больше нет ни у кого в мире. В колледже вы часто думаете об академической стезе; ну, знаете, о работе в университете, как о единственном месте, которое позволит развиваться и продолжить исследования, готовить публикации, находить соавторов и так далее.
На деле оказалось, что в этой удивительной организации много кандидатов наук и много людей, глубоко изучающих информатику, которые делают то, что действительно меняет различные аспекты нашего технологического ландшафта. Так что я подумала, что было бы неплохо присмотреться к такому замечательному месту. Так что я присмотрелась, и вот я здесь.
Не помню, кто это сказал… Думаю, это вполне мог быть Майкл Фридман. Так вот, он сказал, что Microsoft — крупнейшая в мире научно-исследовательская организация, движимая любопытством.
О, отлично сказано! Я думаю, любопытство и жажду творчества вы можете увидеть здесь в большом количестве. Всегда испытываешь энтузиазм, когда узнаешь что-то новое и работаешь бок о бок с другими экспертами, у которых область исследований отлична от твоей. Здесь столько замечательных людей. И они все находятся совсем рядом. Кроме того, в ходе исследований узнаёшь много нового. А результаты исследований приносят пользу сразу в нескольких областях. То есть мы не только развиваем квантовые вычисления, но и делимся идеями со специалистами из других областей, и такая синергия дает потрясающие результаты.
Вам не удастся пойти в буфет за кофе, не столкнувшись в коридоре с двумя-тремя гениями.
Точно, и это здорово.
Это ведь лучшая часть вашей работы, не так ли?
Да, за чашечкой кофе здесь можно получить море удовольствия. Потому что в конечном итоге ты оказываешься участником невероятной дискуссии и каждый раз узнаешь что-то новое.
Я как раз собирался сказать, что разговоры возле кулера здесь совершенного другого порядка.
Верно.
Время от времени. Надо сказать, у меня возникла определенная удовлетворенность от того, что в блоге, где был анонсирован набор инструментов разработчика, я нашел чьё-то высказывание о том, что некоторые из самых умных людей в мире признаются, что не понимают квантовые вычисления. А после того, как я нажал на эту ссылку, выделенную синим цветом, на экране появились Билл Гейтс и Сатья Наделла. Какие ощущения? Ну тогда мне полегчало. В заключение, я должен спросить, делаются ли какие-либо попытки внедрить квантовые технологии в производство продуктов питания? Потому что я постоянно ищу что-нибудь вкусненькое, чтобы это было одновременно более питательным и менее питательным.
Именно так, верно? Что-то такое, что одновременно и хорошо и плохо для вас.
Верно. Более питательное очень вкусно. Менее питательное очень вкусно.
Да.
На самом деле, я хочу вернуться таким образом к другому вопросу. Мне кажется, что каждый раз, когда мы говорим о том, что имеет большой потенциал для чего-то хорошего, мы также должны понимать, что для чего-то плохого потенциал ничуть не меньше. И кванты в этом отношении пугают больше всего остального, потому что их так трудно понять. А каковы преимущества? Например, скажите, сколько времени необходимо для решения задачи NP-hard, и насколько это будет быстрее, чем при использовании современных компьютеров.
Начнем с того, что когда мы говорим о квантовых вычислениях, важно, я думаю, сначала уяснить, что квантовые компьютеры не заменят все компьютеры, которые у нас есть сегодня. Они будут решать задачи определенного класса. В качестве примера можно привести суперкомпьютеры. Мы же не используем суперкомпьютеры для работы с электронной почтой и текстовыми документами, ведь так?
А вы используете?
Ну, хотелось бы. Возможно, я бы тогда быстрее разбиралась со всеми этими письмами. Но, к сожалению, эти устройства предназначены для решения вполне определенного круга задач. Мы же не направляем все без разбора подпрограммы графическому процессору, когда программируем, верно? Следовательно, нужно сначала проанализировать, какие задачи вы хотите отправить на квантовый компьютер, кроме того, не каждое решение задачи будет выполнено им быстрее.
Хотя реально большую группу задач вы действительно решите намного быстрее с квантовым компьютером, о некоторых задачах мы уже говорили, это машинное обучение и искусственный интеллект, а также моделирование физических систем. Квантовая химия, катализ, возможно, медицина и здравоохранение, а также проблемы оптимизации. Перечисленные задачи явно выиграют от квантовых вычислений. Например, когда вам нужно принципиально новое решение. Квантовые технологии дают нам такие возможности. Задачи, которые мы надеемся решить с помощью квантового компьютера, изначально требуют шкалы времени, которая вмещает возраст нашей вселенной.
Секундочку…
Да, возраст вселенной. То есть, когда решение этих задач будет найдено, меня уже давным-давно не будет в живых. На счет вас я не знаю. Но…
Я постараюсь.
Как вы понимаете, если у вас есть шкала, вмещающая возраст вселенной, ждать решения можно очень и очень долго. Вернемся к задачам, которые я только что упомянула, например, задачи катализа. Нам надо понять, насколько катализатор повысит скорость реакции. Чтобы решить некоторые из этих задач, нам буквально потребуются миллиарды и миллиарды лет, причем даже если для этого мы будем использовать не просто современные суперкомпьютеры, а суперкомпьютеры пост-эксафлопсной производительности, времени уйдет не меньше.
А квантовый компьютер, и мы можем это продемонстрировать, сможет найти решение, скажем, за несколько недель, дней, часов или секунд, в зависимости от масштабов поставленной задачи. Тогда такие временные рамки уже не кажутся такими уж нереальными. И тогда я точно доживу до решения этих задач. Итак, вместо миллиарда лет будет неделя или месяц, а мы тренируем модели машинного обучения в течение нескольких месяцев, об этом вы знаете?
Вот это реально впечатляет.
Итак, мы действительно помогаем найти решения для некоторых из подобных задач с помощью квантовых вычислений.
Из всего того, о чем вы только что рассказали, есть ли что-то, что по-прежнему не дает вам спать по ночам?
Пожалуй, есть одна причина — желание как можно скорее достичь цели. Я постоянно думаю, как еще больше расширить возможности для программирования этого устройства? Потенциал огромен, и это очень захватывающе чувство, когда ты, например, сможешь предложить метод борьбы с глобальным потеплением, созданный с помощью квантового компьютера совместно с классическими.
Удивительно, что это устройство действительно сможет помочь нам решить эту проблему. Оно также могло бы помочь нам оптимизировать производство искусственных удобрений и, в свою очередь, повысить эффективность сельского хозяйства. Оно может помочь нам оптимизировать модели машинного обучения и… Перспективы настолько впечатляют, что это не лишает меня сна по ночам, ведь я действительно… Днем не хватает времени чтобы все это сделать, вы знаете, всегда хочется работать как можно быстрее… Когда всё настолько многообещающее и захватывающее, то действительно, бывает трудно уснуть.
Реально впечатляет. Как говорится, «трудно даже захотеть пойти спать». Криста Свор, спасибо, что согласились прийти к нам сегодня.
Вам большое спасибо!
Ваш энтузиазм и то, чем вы занимаетесь, реально вдохновляют.
Да, ну что ж, желаю всем загрузить себе комплект средств разработки квантовых систем. Давайте создадим здесь действительно мощное квантовое сообщество.
Это не шутка.
Да. Точно.
Чтобы узнать подробнее о докторе Кристе Свор и уникальном подходе Microsoft к квантовым вычислениям, посетите страницу microsoft.com/research.
Когда речь идет о квантовых вычислениях, а вы глубокомысленно киваете в ответ, хотя на самом деле в недоумении, не сомневайтесь, многие тоже недоумевают. Некоторые умнейшие люди на планете признают, что они тоже не понимают, что это такое. К счастью, другие известные деятели, такие как доктор Криста Свор, главный руководитель исследований в рамках проекта Microsoft Quantum или QuArC подразделения Microsoft Research в Редмонде, действительно понимают суть квантовых вычислений и прилагают все усилия, чтобы сделать внедрить эти технологии в жизнь.
А сегодня доктор Свор расскажет нам о своей страсти к квантовым алгоритмам и их потенциальных преимуществах с точки зрения решения некоторых из самых сложных мировых задач. Она объяснит, почему топологический квантовый бит Microsoft или «кубит» стал революционным открытием в области квантовых вычислений, а также расскажет о том, что несмотря на то, что сами кубиты «живут» в криогенно-вакуумных установках при температуре, близкой к абсолютному нулю, исследователи квантового мира продолжают работать в своих уютных офисах, используя при этом компьютерную программу, созданную на основе «кота Шрёдингера».
Итак, Криста. Ваши исследования направлены на изучение квантовых алгоритмов. Расскажите нам, в чем особенность квантовых алгоритмов и почему вас привлекла именно эта область исследований.
На мой взгляд, квантовые алгоритмы действительно могут помочь нам решить те задачи, с которыми цифровые компьютеры просто не в состоянии справиться. Кванты, или квантовые вычисления в целом, открывают для нас просто потрясающие возможности. Так что для меня квантовые алгоритмы — это способ решения различных задач с применением специальных компьютеров.
Алгоритмы — это сценарии, которые выполняются вычислительной машиной. И поэтому разработка квантовых алгоритмов, которые могут решать реальные проблемы реального мира и оказать действительное значимое влияние — это большое дело, и в этом моя большая страсть. Я хочу увидеть, как мы можем изменить наш мир, изменить наши представления об экологически чистой энергетике или производстве экологически чистых продуктов питания. Я имею в виду задачи, которые затрагивают всё человечество. Мы можем решить некоторые из них, или, по крайней мере, сделать все возможное для их решения, с помощью квантовых алгоритмов и квантовых компьютеров.
В какой момент вы поняли, что квантовые алгоритмы — это именно то, чем вы действительно хотите заниматься?
Да, хороший вопрос! В колледже я изучала математику. На первом курсе учебы в университете у нас был семинар, который вел Эндрю Уайлс, известный математик. Он доказал Великую теорему Ферма. Этот семинар был посвящен криптографии, так вот на этом семинаре он поделился с нами идеей о том, что должна быть некая модель вычислений, способная взломать криптосистему RSA, которую мы повсеместно используем сегодня, с помощью факторинга. Он рассказал нам, что эта модель вычислений, а именно модель квантовых вычислений, действительно может взломать эту криптосистему. Вот тогда-то я и была вдохновлена идеей о том, что есть и другая модель вычислений.
Также я очень интересовалась информатикой, поэтому мне хотелось понять, как эта модель используется на практике. То есть, как написать такой алгоритм для вычислений? Как создать язык программирования и программный стек, чтобы затем реализовать этот алгоритм для работы на реальном оборудовании? Эти вопросы положили начало многолетним исследованиям и моему стремлению заниматься квантовыми вычислениями.
Итак, мы рассчитываем на довольно высокий уровень технической подготовки наших слушателей. Пожалуй, мы не можем назвать этот подкаст «Кванты для чайников».
Да.
Но я думаю, что небольшой экскурс будет не лишним. Итак, что такое квантовые вычисления и чем они отличаются от классических вычислений? У нас есть на это две минуты. Расскажите.
Итак, квантовые вычисления основаны на принципах квантовой механики. И эти принципы кардинально отличаются от классических. Суперпозиция, квантовая запутанность, интерференция, вы встречали эти термины, если вы слушали лекции Фейнмана, Ричарда Фейнмана, или изучали заметки и статьи Эйнштейна.
Например, квантовая запутанность очень интересное явление, при котором две системы оказываются взаимозависимыми, и они сохраняют свою взаимозависимость даже если они находятся в разных вселенных. Так что когда происходят какие-то изменения в одной системе, то они мгновенно проявляются в другой. Это просто невероятно. Или вот такое явление как суперпозиция. Если у меня есть квантовый компьютер, я использую суперпозицию для хранения информации на нем. То есть биты не используются, как в классическом компьютере, классический компьютер, конечно, просто двоичный. Он включается и выключается. Он работает как переключатель.
Что касается квантового компьютера, я бы сравнила его с работой плавного регулятора. Ваша информация хранится в квантовом состоянии. И в этом квантовом состоянии 0 и 1 могут сосуществовать одновременно. Это линейная комбинация нуля и единицы. И это делает возможным масштабирование и позволяет достичь поистине потрясающего экспоненциального увеличения производительности с помощью квантовых вычислений.
Вы руководите группой Microsoft QuArC — Quantum Architecture and Computation (Квантовая архитектура и вычисления) — в составе подразделения Microsoft Research в Редмонде. Расскажите о вашей команде, партнерских отношениях и вашем видении квантовых вычислений.
Да, мы создали группу QuArC, я думаю, лет семь назад. Мы начали размышлять о том, что мы собственно хотим получить от квантового компьютера. У него есть большие перспективы, большой потенциал. Но как все это реализовать на практике? Как мы будем программировать? Как реализовать алгоритм на аппаратном уровне? Вы же помните, что принципы здесь совершенно иные? Системы принципиально разные.
Для этого нужны классические компьютеры, отличные от тех, которые создавались ранее, помимо, собственно, квантового компьютера и квантовой системы, которые также никогда до этого не создавались. И мы сосредоточили внимание на том, чтобы не просто найти ответы на эти вопросы, но и сделать эти технологии более доступными.
Итак, вам это только что удалось. Расскажите о пакете средств для разработки, который вы недавно выпустили.
Да. Мы так рады. Мы выпустили пакет средств разработки квантовых систем — Quantum Development Kit. Этот комплект, Quantum Development Kit, действительно поможет сделать квантовые вычисления более доступными для разработчиков, энтузиастов квантовых технологий, студентов, ученых, исследователей и всех тех, кто заинтересован в том, чтобы научиться использовать этот уникальный ресурс.
Разумеется, в комплект входит новый специализированный язык программирования для квантовых вычислений. Мы назвали этот язык Q#. И встроили Q# в Visual Studio. Таким образом, вы не только получаете этот новый язык программирования, но и можете использовать с ним все дополнительные преимущества Visual Studio — все эти замечательные инструменты, такие как отладка, подсветка кода, подсветка синтаксиса и подсказки, всплывающие при наведении курсора на функции и операции. Такой подход делает эти технологии гораздо более доступными и, надеюсь, снижает «входной порог» в мир квантовых вычислений.
Нужно ли быть экспертом в квантовой механике или квантовой физике, чтобы во всем этом разобраться и начать программировать для таких систем?
Вы знаете, мы очень надеемся, что это не обязательно. Если бы мы ориентировались только на разработчиков, которые разбираются в квантовой механике, то это была бы очень небольшая группа специалистов. А мы действительно хотим представить квантовые вычисления для широкой аудитории, сделать их доступными для всех. Так что идея в том, что вам не нужно знать квантовую механику.
Но сама я из этой сферы, я эксперт в области компьютерных технологий. Я не ученый-физик. Я не изучала квантовую механику в колледже. Я подхожу к этому с точки зрения эксперта в области компьютерных технологий, который желает это использовать для изменения подходов к организации вычислений. Мы надеемся, что все больше людей начнут открывать для себя эту новую область, начнут разрабатывать алгоритмы и приложения в этой среде. А квантовую механику знать не обязательно.
И это замечательно, потому что многие могут сразу же отказаться от идеи войти в мир квантовых вычислений, если входной порог окажется для них слишком высок, так что… Насколько сильно Q#, этот квантовый язык программирования, отличается от других языков программирования, и работает ли он в данный момент на реальных квантовых компьютерах или только на эмуляторах?
Q# действительно создан для квантовых компьютеров и модели вычислений, используемой на квантовом компьютере. Но и от классических языков программирования он унаследовал очень многое. Важно помнить, что квантовый компьютер — это гибридное устройство. Оно похоже на сопроцессор или ускоритель. То есть большую часть своего приложения и обертку вы пишите на стандартном языке, а затем вызываете программу, разработанную на языке Q#, которая, в свою очередь, выполняется на квантовом ускорителе.
Мы разрабатывали язык Q#, опираясь именно на такую концепцию. Основная идея заключается в том, чтобы использовать Q# для упрощенной настройки таких вещей, как суперпозиция, запутанность и интерференция, с целью разработки вашего квантового алгоритма и обеспечения возможности его развития. Функциональные возможности, задействованные в квантовых алгоритмах, кардинально отличаются от тех, которые мы используем в классических алгоритмах. И с помощью Q# мы выводим это все на первый план, упрощая задачу разработчику.
Одной из главных проблем в квантовых вычислениях является нестабильность кубитов, и эту проблему, по вашему мнению, должна решить концепция топологического кубита. Или уже решает…
Да.
Итак, что представляет собой топологический кубит и чем он может помочь в квантовых вычислениях?
Верно, в квантовых вычислениях мы используем кубиты. Кубиты — это способ хранения информации в квантовом компьютере. Это «квантовые биты». Сокращенно, «кубиты». Так вот, важно понять, что эти кубиты постоянно взаимодействуют со своей средой. Это не очень хорошее свойство для квантовых вычислений. Нам нужно, чтобы они оставались в вакууме, чтобы они были изолированы от теплового шума и других шумов. А когда они начинают запутываться со своей средой, это означает, что они становятся «шумными». Эта запутанность со средой приводит к потере информацию в кубите. Этого нельзя допустить. Систему нужно изолировать.
Существуют различные способы изоляции системы. Но подход компании Microsoft здесь по-настоящему уникален, и он обеспечивает максимальную масштабируемость. Мы должны разработать способ хранения и обработки информации на квантовом компьютере. И обеспечить при этом более высокую надежность. Я имею в виду, уже сейчас, на этапе разработки концепции. Представьте, что вы хотите построить небоскреб, а у меня есть кирпич. И все мы считаем, что кирпичи довольно прочные. Но вы же не будете пытаться выстроить небоскреб из кирпичей?
Верно.
Это нереально сложно. То есть вы, скорее всего, откажетесь от этой затеи. Для этого лучше использовать сталь. Итак, сталь лучше подойдет для строительства небоскреба, и этот материал позволит вам быстро смасштабировать проект. Эта конструкция будет намного более устойчива к изменениям, стихийным бедствиям и остальным внешним воздействиям.
Итак, представим, что наш кубит — это стальной кубит. И наша система на основе стальных кубитов, топологических кубитов, как мы их называем, будет масштабироваться гораздо проще, и для этого потребуется меньше усилий, меньше дополнительных ресурсов, меньше дополнительных затрат, меньше дополнительного времени, а в результате вы получите большее количество вычислительных возможностей, большее количество кубитов. То есть вы сможете сделать больше, приложив меньше усилий. Можно будет выполнять больше вычислений, используя меньше кубитов, поскольку они как сталь. Они очень, очень крепкие.
То есть вы хотите сказать, что это другой тип кубитов?
Верно.
И это является ноу-хау Microsoft Research?
Да. Исследования Михаила Фридмана, который присоединился к MSR в конце 90-х годов, и его идеи легли в основу этого кубита, над ними он работал вместе с Алексеем Китаевым, который в то время работал в команде Microsoft, а также с другими коллегами и партнерами в нескольких университетах. Идеи, давшие старт разработке этого кубита, на самом деле родились в Microsoft, в частности в Microsoft Research.
То есть здесь они были переведены в концептуальную плоскость.
Да, именно так.
Давайте поговорим о системе квантовых вычислений. Квантовый компьютер не работает сам по себе, ему нужна определенная экосистема. Расскажите слушателям немного о том, что именно должно произойти, прежде чем квантовый компьютер сможет начать работать в нашем ограниченном мире.
Здесь идет речь о квантовой экосистеме, и у компании Microsoft есть свой уникальный подход, наш подход состоит в том, чтобы построить всеобъемлющую масштабируемую квантовую систему. Недостаточно просто построить квантовый компьютер, который даст нам 50 или 100 кубитов. Мы хотим, чтобы квантовый компьютер мог масштабировать тысячи кубитов, десятки тысяч, сотни тысяч кубитов и более. Это даст нам поистине уникальные возможности и поможет решить самые сложные мировые проблемы.
Итак, если мы говорим об экосистеме, из чего она состоит? Во-первых, нам нужен кубит для хранения и обработки информации с применением принципов квантовой механики. Этот кубит хранится в нашей системе при температуре, измеряемой в милликельвинах. Чтобы было понятнее, это очень близко к абсолютному нулю. То есть, во-первых, вы должны поместить всю систему в криогенную установку, чтобы поддерживать кубиты в холоде, защищая кубиты от шума, от взаимодействия и перепутывания со средой. Кроме того, нам нужна система или стек, если мы хотим чтобы наш квантовый компьютер работал, верно? То есть нам нужны средства программирования.
Итак, мы разрабатываем квантовые алгоритмы, и я не знаю, как остальные слушатели, но я предпочитаю создавать квантовые алгоритмы при комнатной температуре. И мне нужно будет взаимодействовать с этой системой, которая функционирует при абсолютном нуле, а это примерно минус 459 градусов по Фаренгейту. Каким-то образом мне нужно передать эту программу, эту контролируемую информацию, квантовому чипу. Это означает, что в составе системы должна быть область управления. И нам придется запускать квантовые вычисления, подпрограммы, если хотите, из под классической программы. То есть без классического компьютера все-таки не обойтись. А этот компьютер должен работать, скажем, при минус 270 градусах по Цельсию.
Таким образом, мы должны спроектировать и создать не только квантовый чип, но и этот классический компьютер, который совсем не похож на любой другой классический компьютер, который мы когда-либо разрабатывали. Он должен работать при температурах, при которых мы никогда даже не пытались запускать классические компьютеры. Итак, мы проектируем и его. Мы разрабатываем сам квантовый чип и все программное обеспечение для связки всех компонентов. Затем нужно будет скомпилировать программу для этой системы. Поэтому мы разрабатываем не только комплексный стек оборудования, но и комплексный стек программного обеспечения.
То есть вам необходимо решить междисциплинарную задачу.
Верно. Конечно, еще одна ключевая и уникальная особенность нашей квантовой программы, программы Microsoft и Microsoft Research, — это наша команда. Мы объединили специалистов в разных областях в замечательную международную команду. Это не только ученые-физики. Также необходимы эксперты в области компьютерных технологий. Нужны инженеры, специализирующиеся в электротехнике. Без специалистов по криогенным технологиям тоже не обойтись. А еще разработчики, инженеры по программному обеспечению… Продолжать можно долго.
И нам удалось собрать потрясающую «команду мечты», включив в нее специалистов из более чем 10 стран мира. Вместе мы работаем над комплексной квантовой системой, учитывая абсолютно все ее аспекты. В команду вошли настоящие профессионалы своего дела. Знаете ли вы, например, что Майкл Фридман, который помог запустить саму квантовую программу в Microsoft, является лауреатом Филдсовской премии по математике? В нашей команде трудится основатель компании Cray Computing. У нас есть ведущий архитектор из компании Intel. С нами работают специалисты в области экспериментальной физики из профессорского состава Гарварда и Делфта, а также ученые, получившие награды за различные достижения в области вычислительной физики. Все эти замечательные люди работают вместе над этой задачей, они горят этим сами и вдохновляют других.
Включая и вас.
Ах да, спасибо.
Давайте перейдем к сливкам на торте. В нашей прошлой беседе вы поведали мне, что квантовые компьютеры в небольшом количестве уже существуют. Не просто какие-то эмуляторы, а настоящие квантовые компьютеры. Насколько они производительны? С каким проблемами вы сталкиваетесь при масштабировании этих систем?
Да, это потрясающе, на сегодняшний день у нас действительно есть относительно небольшие прототипы квантовых компьютеров. Так вот, наши квантовые компьютеры используют в своей работе тот самый тип кубита, который я сравнила ранее с кирпичом. Главная проблема в том, что для масштабирования нам придется приложить слишком много усилий и потратить слишком много ресурсов, поскольку точность вычислений пока невысока. И когда я говорю много, я имею в виду, что для каждого кубита на уровне алгоритма мне может понадобиться от 1000 до 10 000 физических кубитов в моем квантовом устройстве. Мы называем это «логический кубит».
Теперь, когда появился топологический кубит, над которым мы работаем в Microsoft, такой перерасход ресурсов больше не нужен. Это реализовано на аппаратном уровне. Такого подхода мы придерживались с самого начала, когда только начинали работу над кубитом. И один топологический кубит, по нашему мнению, будет эквивалентен примерно от 1 000 до 10 000 этих других кубитов.
Таковы порядки величин.
Да, это так.
Есть ли надежда на то, что топологический кубит можно будет активно использовать в ближайшее время?
Конечно, мы прикладываем все усилия для того, чтобы как можно скорее подготовить рабочий прототип квантового компьютера, использующего в своей работе топологические кубиты.
Это будет сенсация.
Сейчас мы более чем уверены, что это неизбежно.
Оказаться в это время в этом месте — большая удача, не так ли?
Да, это непередаваемые ощущения. Как будто сбылась мечта всей жизни.
Расскажите немного о потенциальном влиянии квантовых вычислений на такие направления, как искусственный интеллект и машинное обучение.
Конечно. Знаете, когда я пришла в Microsoft Research чуть более 11 лет назад, машинное обучение было одним из первых, над чем я работала. Вместе с замечательными специалистами из компании Bing я занималась алгоритмами ранжирования для веб-поиска, а также другими задачами. Примечательно, что в то время я защитила докторскую диссертацию по квантовым вычислениям и продолжила изучать машинное обучение. Конечно, тогда я не могла предположить, что не пройдет и десяти лет, и мы будем активно интегрировать эти области.
И вот около 6 лет назад, наверное, мы начали работать над нашими первыми алгоритмами для квантовой вычислительной машины. Я действительно считаю, что за последние несколько лет нам удалось значительно расширить привычные рамки. Очень радостно видеть, что нам удается добиться ускорения в квантовом машинном обучении. Таким образом, используя квантовый алгоритм для обучения, например, глубокой нейронной сети, машины Больцмана или персептрона, вы можете значительно ускорить все эти процессы машинного обучения.
Еще больше воодушевляет тот факт, что при квантовом машинном обучении у нас есть это устройство, этот квантовый компьютер у нас под рукой, и он может моделировать саму природу. Именно об этом и говорил Фейнман. Об этой удивительной и ошеломляющей способности природы творить. С помощью квантового компьютера вы можете приблизить свои вычисления к вычислениям, которые выполняет природа, к примеру, можно будет разгадать шаблоны или модели, характерные для речи, языка и зрения. Я думаю, это замечательно, и мы видим, что при добавлении этих квантовых свойств или квантовых терминов в модели можно значительно улучшить сегодняшнюю модель данных или модель информации. Это меняет всё на фундаментальном уровне.
Верно. Продолжим на той же ноте, расскажите, каково потенциальное влияние на такие вещи, как криптография, безопасность, конфиденциальность. Потому что именно здесь, как мне кажется, нас ждут не только большие перспективы, но и большие риски.
Верно. Одним из первых наших квантовых алгоритмов стал алгоритм Питера Шора, который появился в 1994 г. и который показывает, что вы можете эффективно выполнять так называемый факторинг на квантовом компьютере. Почему для нас важен факторинг? Эта технология лежит в основе почти всех цифровых схем шифрования, которые мы используем, практически всех криптосистем в Интернете. Многие подумали: «О, ничего себе!», верно? И квантовый компьютер способен атаковать и взломать эту криптосистему. Это воспринимается как угроза.
Но хорошая новость в том, что существуют криптосистемы, которые квантовый компьютер не способен атаковать. И это направление Microsoft Research тоже развивает. У нас есть целая команда, которая этим занимается, они анализируют, какие протоколы будут устойчивыми к квантовым атакам, смогут выстоять против квантовых компьютеров. И это классические системы. Классические системы, которые могут легко и просто заменить собой такие вещи, как RSA. Мы уже знаем эти протоколы, например, команда Брайана Ла Маккии в Microsoft Research работает над этим, и у них есть протоколы, которые, по их мнению, являются достаточно надежными. Конечно же, нам потребуется, может быть, десятилетие, чтобы перевести все программное обеспечение, все заявки с RSA на новые протоколы с нашим существующим программном обеспечении.
Верно.
Но если мы начнем прямо сейчас, мы сможем основательно подготовиться. Кроме того, когда у нас будет квантовый компьютер, способный взломать RSA, мы не будем использовать его таким образом, с его помощью мы постараемся решить реальные проблемы современного мира, например, воплотить в жизнь наши представления об экологически чистой энергетике или производстве полезных продуктов питания. Снижение уровня диоксида углерода, например. И к тому времени у нас будут надежные системы безопасности.
То есть вы рассматриваете проблему сразу в двух аспектах…
Верно.
Создаете технологии и одновременно стараетесь не допустить их злонамеренного использования?
Верно. Да, мы знаем, как это предотвратить, для этого необходимо реализовать то, что мы называем пост-квантовыми методами криптографии. Это классические методы, которые смогут выстоять против квантовых атак. Они есть, и они тщательно изучаются. Например, Национальный институт стандартов и технологий США изучает эти протоколы, чтобы вынести решение о том, какой протокол рекомендовать для последующего использования.
Интересно.
Это все происходит в настоящий момент.
Отлично. Вы сказали, что одно из преимуществ исследований в области квантовых технологий заключается в том, что они одновременно выявляют проблемы, характерные как для квантовых вычислений, так и для классических. Что вам уже удалось обнаружить?
Да, это замечательно, часто бывает так, что когда начинаешь изучать какую-то одну область, то в процессе ее изучения рождаются эти превосходные идеи, которые помогают улучшить какую-то другую область. В данном случае, источником наших замечательных идей являются квантовые технологии. Они помогли нам узнать много нового про классические вычисления. На самом деле, когда мы начали работать над квантовым машинным обучением, мы были просто потрясены, когда нам удалось добиться экспоненциального ускорения, оставив далеко позади новейшие технологии сегодняшнего дня. Мы создали алгоритм для квантового машинного обучения. А когда мы сильно углубились в предметную область, то поняли, что эти идеи вполне применимы и к классическому машинному обучению. И нам удалось ускорить классический алгоритм. Это превосходный «побочный эффект» изучения квантовых вычислений.
Это происходит и сейчас, просто я привела только один пример. Это происходит постоянно в процессе машинного обучения, оптимизации и в теоретической информатике. Мы все больше узнаем о классических функциях и о том, как выполнять классическую оптимизацию, и мы значительно улучшаем эти методы, опираясь на идеи, которые рождаются в процессе освоения квантовых вычислений и разработки квантовых алгоритмов и так далее.
Как вы пришли в Microsoft Research? Как вы оказалась здесь?
Я получила докторскую степень по информатике в Колумбийском университете, и мой руководитель был или, вернее сказать, является настоящим фанатом Microsoft Research, поэтому он настоял на том, чтобы я внимательно присмотрелась к Microsoft Research в качестве потенциального места работы. В то время я работала над диссертацией по квантовым вычислениям. Моя работа была посвящена отказоустойчивым масштабируемым квантовым вычислениям. Этим я и занимаюсь до сих пор. Вот так возник мой интерес к Microsoft.
Я слышала, что у этой компании есть невероятная экосистема, и что на них работает такое количество специалистов с научной степенью в области компьютерных наук, которого больше нет ни у кого в мире. В колледже вы часто думаете об академической стезе; ну, знаете, о работе в университете, как о единственном месте, которое позволит развиваться и продолжить исследования, готовить публикации, находить соавторов и так далее.
На деле оказалось, что в этой удивительной организации много кандидатов наук и много людей, глубоко изучающих информатику, которые делают то, что действительно меняет различные аспекты нашего технологического ландшафта. Так что я подумала, что было бы неплохо присмотреться к такому замечательному месту. Так что я присмотрелась, и вот я здесь.
Не помню, кто это сказал… Думаю, это вполне мог быть Майкл Фридман. Так вот, он сказал, что Microsoft — крупнейшая в мире научно-исследовательская организация, движимая любопытством.
О, отлично сказано! Я думаю, любопытство и жажду творчества вы можете увидеть здесь в большом количестве. Всегда испытываешь энтузиазм, когда узнаешь что-то новое и работаешь бок о бок с другими экспертами, у которых область исследований отлична от твоей. Здесь столько замечательных людей. И они все находятся совсем рядом. Кроме того, в ходе исследований узнаёшь много нового. А результаты исследований приносят пользу сразу в нескольких областях. То есть мы не только развиваем квантовые вычисления, но и делимся идеями со специалистами из других областей, и такая синергия дает потрясающие результаты.
Вам не удастся пойти в буфет за кофе, не столкнувшись в коридоре с двумя-тремя гениями.
Точно, и это здорово.
Это ведь лучшая часть вашей работы, не так ли?
Да, за чашечкой кофе здесь можно получить море удовольствия. Потому что в конечном итоге ты оказываешься участником невероятной дискуссии и каждый раз узнаешь что-то новое.
Я как раз собирался сказать, что разговоры возле кулера здесь совершенного другого порядка.
Верно.
Время от времени. Надо сказать, у меня возникла определенная удовлетворенность от того, что в блоге, где был анонсирован набор инструментов разработчика, я нашел чьё-то высказывание о том, что некоторые из самых умных людей в мире признаются, что не понимают квантовые вычисления. А после того, как я нажал на эту ссылку, выделенную синим цветом, на экране появились Билл Гейтс и Сатья Наделла. Какие ощущения? Ну тогда мне полегчало. В заключение, я должен спросить, делаются ли какие-либо попытки внедрить квантовые технологии в производство продуктов питания? Потому что я постоянно ищу что-нибудь вкусненькое, чтобы это было одновременно более питательным и менее питательным.
Именно так, верно? Что-то такое, что одновременно и хорошо и плохо для вас.
Верно. Более питательное очень вкусно. Менее питательное очень вкусно.
Да.
На самом деле, я хочу вернуться таким образом к другому вопросу. Мне кажется, что каждый раз, когда мы говорим о том, что имеет большой потенциал для чего-то хорошего, мы также должны понимать, что для чего-то плохого потенциал ничуть не меньше. И кванты в этом отношении пугают больше всего остального, потому что их так трудно понять. А каковы преимущества? Например, скажите, сколько времени необходимо для решения задачи NP-hard, и насколько это будет быстрее, чем при использовании современных компьютеров.
Начнем с того, что когда мы говорим о квантовых вычислениях, важно, я думаю, сначала уяснить, что квантовые компьютеры не заменят все компьютеры, которые у нас есть сегодня. Они будут решать задачи определенного класса. В качестве примера можно привести суперкомпьютеры. Мы же не используем суперкомпьютеры для работы с электронной почтой и текстовыми документами, ведь так?
А вы используете?
Ну, хотелось бы. Возможно, я бы тогда быстрее разбиралась со всеми этими письмами. Но, к сожалению, эти устройства предназначены для решения вполне определенного круга задач. Мы же не направляем все без разбора подпрограммы графическому процессору, когда программируем, верно? Следовательно, нужно сначала проанализировать, какие задачи вы хотите отправить на квантовый компьютер, кроме того, не каждое решение задачи будет выполнено им быстрее.
Хотя реально большую группу задач вы действительно решите намного быстрее с квантовым компьютером, о некоторых задачах мы уже говорили, это машинное обучение и искусственный интеллект, а также моделирование физических систем. Квантовая химия, катализ, возможно, медицина и здравоохранение, а также проблемы оптимизации. Перечисленные задачи явно выиграют от квантовых вычислений. Например, когда вам нужно принципиально новое решение. Квантовые технологии дают нам такие возможности. Задачи, которые мы надеемся решить с помощью квантового компьютера, изначально требуют шкалы времени, которая вмещает возраст нашей вселенной.
Секундочку…
Да, возраст вселенной. То есть, когда решение этих задач будет найдено, меня уже давным-давно не будет в живых. На счет вас я не знаю. Но…
Я постараюсь.
Как вы понимаете, если у вас есть шкала, вмещающая возраст вселенной, ждать решения можно очень и очень долго. Вернемся к задачам, которые я только что упомянула, например, задачи катализа. Нам надо понять, насколько катализатор повысит скорость реакции. Чтобы решить некоторые из этих задач, нам буквально потребуются миллиарды и миллиарды лет, причем даже если для этого мы будем использовать не просто современные суперкомпьютеры, а суперкомпьютеры пост-эксафлопсной производительности, времени уйдет не меньше.
А квантовый компьютер, и мы можем это продемонстрировать, сможет найти решение, скажем, за несколько недель, дней, часов или секунд, в зависимости от масштабов поставленной задачи. Тогда такие временные рамки уже не кажутся такими уж нереальными. И тогда я точно доживу до решения этих задач. Итак, вместо миллиарда лет будет неделя или месяц, а мы тренируем модели машинного обучения в течение нескольких месяцев, об этом вы знаете?
Вот это реально впечатляет.
Итак, мы действительно помогаем найти решения для некоторых из подобных задач с помощью квантовых вычислений.
Из всего того, о чем вы только что рассказали, есть ли что-то, что по-прежнему не дает вам спать по ночам?
Пожалуй, есть одна причина — желание как можно скорее достичь цели. Я постоянно думаю, как еще больше расширить возможности для программирования этого устройства? Потенциал огромен, и это очень захватывающе чувство, когда ты, например, сможешь предложить метод борьбы с глобальным потеплением, созданный с помощью квантового компьютера совместно с классическими.
Удивительно, что это устройство действительно сможет помочь нам решить эту проблему. Оно также могло бы помочь нам оптимизировать производство искусственных удобрений и, в свою очередь, повысить эффективность сельского хозяйства. Оно может помочь нам оптимизировать модели машинного обучения и… Перспективы настолько впечатляют, что это не лишает меня сна по ночам, ведь я действительно… Днем не хватает времени чтобы все это сделать, вы знаете, всегда хочется работать как можно быстрее… Когда всё настолько многообещающее и захватывающее, то действительно, бывает трудно уснуть.
Реально впечатляет. Как говорится, «трудно даже захотеть пойти спать». Криста Свор, спасибо, что согласились прийти к нам сегодня.
Вам большое спасибо!
Ваш энтузиазм и то, чем вы занимаетесь, реально вдохновляют.
Да, ну что ж, желаю всем загрузить себе комплект средств разработки квантовых систем. Давайте создадим здесь действительно мощное квантовое сообщество.
Это не шутка.
Да. Точно.
Чтобы узнать подробнее о докторе Кристе Свор и уникальном подходе Microsoft к квантовым вычислениям, посетите страницу microsoft.com/research.
P.s. Если вы интересуетесь новостями из мира квантовых компьютеров, присоединяйтесь к моему каналу Qubit (Quantum Daily) в Telegram.
