Профессор Лев Иоффе — о квантовой гонке в информационных технологиях

Очередную волну квантовой гонки не остановила даже пандемия: напротив, сегодня ученые задумываются о том, как квантовый компьютер может помочь побороть коронавирус. Как изменится наша жизнь в квантовую эру, что мешает в нее прорваться и какие специалисты востребованы в этой сверхперспективной области знаний — об этом «Огонек» поговорил с ведущим ученым в области квантовых технологий, научным сотрудником компании Google профессором Львом Иоффе.

Беседовала Елена Кудрявцева

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с—Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18.

— Лев Борисович, недавно президент США заявил, что увеличит в этом году расходы на квантовую информатику до 237 млн долларов, то есть на 20 процентов. Почему это важно сейчас, посреди пандемии?

— Это прежде всего вопрос престижа как для государства, так и для компаний. В США считается, что если хайтек-компания не вкладывается в квантовые вычисления, то она поставила на себе крест и не может рассматриваться как серьезный игрок на рынке. Вот крупные компании и стремятся хоть в каком-то виде демонстрировать свой интерес в этой области.

К тому же всех волнует тема криптографии: квантовый компьютер может уничтожить всю современную банковскую систему. С его помощью можно раскодировать шифры, которыми мы пользуемся, когда платим своей кредитной картой. Под ударом мгновенно окажется вся цифровая экономика. Квантовый компьютер сделает абсолютно бессмысленной защиту современной связи, потому что она основана на криптографии, разработанной 50 лет назад. Поэтому много разных сил в обществе, которые очень обеспокоены этой перспективой. Не знаю, как в России, а за рубежом часто можно услышать такую позицию: лучше уж доказать, что квантовый компьютер невозможен, и прекратить разработки в этом направлении. Так было бы намного спокойнее. Другое дело, что если уж он возможен, то каждому хотелось бы оказаться первым — и государствам, и научным группам внутри стран.

Еще к вопросу о популярности квантовых технологий: для запуска полноценной лаборатории по производству квантовых кубитов (аналог бита — единицы информации в классическом компьютере.— «О») нужно разрабатывать мощную инфраструктуру, в том числе использовать особые кабели, которые выпускает одна-единственная компания в Японии. Так вот, купить их сегодня уже не просто — квантовый компьютер настолько модная тема, что спрос сильно превышает предложение.

— Насколько серьезно в квантовой гонке участвует Китай? Ведь именно китайцы первые в мире запустили спутник с квантовой связью. Почему, кстати, никто не повторил этот успех?

— Помните анекдот про неуловимого Джо? Он был неуловим, потому что был никому не нужен. Квантовую связь в том виде, как ее осуществили китайцы, никто повторять не будет, потому что это очень неэффективно. При существующих технологиях информацию по квантовой связи можно передать только на то расстояние, которое может пробежать один фотон без поглощения. Сегодня в самых лучших кабелях это порядка 100 км. Поэтому каждые 70 км китайцам пришлось ставить защищенный от взлома узел, где информация расшифровывается и передается дальше. Спутник передает все через атмосферу, что дело не улучшает.

— Тем не менее китайцев все считают конкурентами. Я читала статьи, в которых ученые из IT-компаний рассказывают, как отключают телефоны в офисе, опасаясь утечки идей в Китай…

— Страх, что китайцы украдут какие-то научные достижения, есть в каждой крупной лаборатории. И это понятно: Китай пытается повторить у себя все, что делается в квантовых вычислениях по миру. Джон Мартинес, будучи главой лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» Google (покинул свой пост месяц назад.— «О»), очень переживал, что китайцы что-нибудь уведут из-под носа, потому что они действительно все время где-то рядом. При этом речь не о правительстве КНР, это делают отдельные люди. Насколько я понимаю, в общей культуре Поднебесной такое поведение поощряется: если ты что-то украл для своих, то потом на этом есть шанс сделать очень хорошую карьеру у себя в стране.

— Вы тоже выключаете телефон, когда где-то с коллегами обсуждаете новые идеи?

— Нет, но при этом я прекрасно знаю, что можно говорить вслух, а что нет, особенно в университетской среде. Там иногда лучше лишний раз промолчать, если вы не хотите, чтобы ваши результаты кто-то опубликовал раньше, потому что у него в данный момент больше денег и он может провести эксперимент быстрее.

Превосходство, и не только

— В октябре прошлого года Google заявил о достижении «квантового превосходства». Что это означает и что изменилось к сегодняшнему дню?

— Считается, что квантовый компьютер смог сделать то, что невозможно сделать на классическом компьютере. Но надо понимать, что слово «невозможно» — это упрощение. Во-первых, достаточно большой классический компьютер решит любую задачу. IBM, обидевшись на Google, даже выпустил статью о том, что, используя другой алгоритм вычислений и громадную, но не эффективную память, эту задачу можно решить на имеющемся компьютере не за годы (как утверждал Google), а за неделю. Возникает правда вопрос: а почему не продемонстрировали? Ответ в том, что на самом деле для такого вычисления пришлось бы построить целую электростанцию, чтобы она запитала память компьютера.

Во-вторых, что более важно, никто не доказал, что известный на сегодня алгоритм оптимальный. Более того, наверняка это не так. Недавно группа математиков из АлиБабы опубликовала статью, где утверждалось, что они улучшили классический алгоритм и могут вычислить то же, что и Google, на этот раз за несколько часов. Так что если математики очень напрягутся, то, наверно, вычислят за те же минуты то, что и гугловский компьютер. Однако к этому времени Google тоже продвинется вперед, и вычисление опять займет годы. Мне кажется, заниматься этими «тараканьими бегами» большого смысла нет. Надо пытаться решить какую-нибудь задачу, интересную хотя бы небольшому числу людей на Земле.

— Так что же он вычислил? Какое-то сложное уравнение?

— Нет, это не уравнение. По сути, это довольно простое действие, наподобие генерации случайных чисел, правда, с помощью сложного алгоритма. Подобные действия не решают никакой осмысленной задачи, тем не менее это принципиальный шаг в демонстрации того, что квантовый компьютер — дело не такого далекого будущего.

— И как он сегодня выглядит? Отличается от привычных микросхем?

— Микросхема там на данный момент одна. На ней расположено полсотни кубитов на расстоянии нескольких сот микрон друг от друга, при этом размер минимальных деталей каждого кубита несколько десятков нанометров — сотня атомов. То есть в каком-то смысле это похоже на микросхему, которую 40 лет назад производили для обычных вычислений, но минимальный размер деталей здесь сильно меньше.

— Что нужно, чтобы создать работающий прототип?

— Современная литография, позволяющая печатать детали, чистая комната, где можно работать с нанообъектами и которая не пропускает никакие шумы, низкотемпературное оборудование (набор криостатов) и высокочастотная техника, например генераторы, которые формируют импульсы для управления кубитами.

— Чем кубит по сути отличается от обычного носителя информации в классическом компьютере?

— Кубит — это то же самое, что бит в классическом компьютере. Но если там информация записана либо как ноль, либо как единица, то здесь обе величины будут в суперпозиции (одновременно может быть и то, и другое.— «О»). Первый кубит был сделан в компании NEC в Японии примерно 20 лет назад. Кстати, частично его сделали наши ученые: Олег Астафьев из Физтеха и Юрий Пашкин из Физического института РАН, которые работали в Японии. С тех пор вся индустрия соревнуется в том, кто сколько может сделать кубитов.

— И сколько собрано?

— Ответить на вопрос не так просто. Идет борьба за порядок от 50 до 100. Официально Google показал систему с 53 кубитами. IBM следом тоже обнародовал систему с тем же количеством. Вопрос, однако, в качестве. А вот про качество вам никто ничего не расскажет. Кроме того, IBM — это закрытая, почти засекреченная компания, поэтому они мало что публикуют. А так помимо крупных компаний есть относительно небольшие научные группы, но они не пытаются собрать много кубитов, а стараются сделать один хороший.

— Сколько нужно нарастить кубитов, чтобы было возможно сделать что-то стоящее?

— Вопрос тут не в количестве кубитов. Уже не первый десяток лет ученые пытаются решить важную задачу, без которой создание квантового компьютера бессмысленно. Речь идет о коррекции ошибок. Никакое вычисление невозможно, если у вас нет возможности поправить ошибки, которые существуют всегда. В классическом компьютере это делается очень просто: вы все время проверяете четность некоторого количества битов, и, если она не совпадает с нужной величиной, значит, есть ошибка, которую надо исправлять. На таких проверках основано все классическое вычисление, и поэтому обычный компьютер практически безошибочен. Но не потому, что каждый элемент без ошибок, а потому что ошибки все время проверяются и исправляются. Когда можно будет сделать коррекцию ошибок кубита, можно говорить об эффективности компьютера.

— Что значит ошибка кубита?

— Она вычисляется очень просто: сколько можно сделать операций, пока не произойдет ошибка. Сейчас этот параметр где-то в районе 10 тысяч. Это очень мало для нормальной работы, но, с другой стороны, когда был сделан первый кубит, параметр ошибки на нем был порядка 10. Более того, до недавнего времени ученые считали, что ее в принципе сделать невозможно. Это было основным научным прорывом 1990-х. Его сделал знаменитый математик, специалист в области теории информации Питер Шор, который сейчас работает в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и Центра теоретической физики. Его работы уже ставят под сомнение современную криптографию, в частности, криптосистему RSA, которую используют для цифровой подписи в интернете.

— Но вы сказали, что наращивание числа кубитов — не единственный путь развития квантовых технологий.

— Безусловно. Коммерческие компании в основном ставят своей целью нарастить как можно больше кубитов, но есть и академическое направление. Сразу оговорюсь, что в академических условиях такие работы делать очень сложно. Здесь стараются, как я говорил, собрать несколько кубитов, но при этом сократить число ошибок. Такие машины в скором времени потенциально можно будет использовать для исследования каких-то процессов в физике твердого тела. Здесь самой сильной группой являются ученые Йельского университета в США. Там работают два лидера этого направления: профессор Мишель Деворе и один из изобретателей сверхпроводящих кубитов профессор Роберт Дж. Шелкопф. Несколько упрощая ситуацию, скажу, что весь прогресс в этой области связан с именами этих двух людей и с именем Джона Мартинеса из Google.

— А почему именно они?

— Потому что у них, видимо, есть голова на плечах.

— Это понятно, но одной головы зачастую мало. Чтобы появились такие головы, нужна научная школа, особая среда.

— Да, они все вышли из одной школы, связанной с именем Джона Кларка, профессора Калифорнийского университета в Беркли. Все они в каком-то смысле его ученики. Джон Кларк — замечательный человек, прекрасный ученый, который известен своими работами по сверхпроводимости. Сейчас он уже сильно пожилой, но, мне кажется, по-прежнему преподает. Именно ученики и оказались в состоянии что-то сделать в этой области.

— А как же японцы? Они же первыми доказали, что из кубитов можно собрать квантовый компьютер?

— Это было на рубеже веков: научная группа Джоу-Шэнь Цая из японской компании NEC первой смогла осуществить манипуляции со сверхпроводящим кубитом и доказала, что из него можно создать квантовый компьютер. К сожалению, в связи с экономическими сложностями NEC уже лет 15 назад начала сворачивать работу, люди разбежались — критическая масса, необходимая для прорыва, была утеряна. Цай, он был фактическим лидером, ушел в RIKEN (японский аналог РАН.— «О»), Юрий Пашкин уехал в Университет Ланкастера в Великобританию.

— А Олег Астафьев?

— У него были работы с этой группой позже. Сейчас он вернулся в Россию и работает в Сколтехе.

— Сколтеху повезло. Известно, что «охотники за головами» в сфере квантовых технологий отличаются особым рвением, перекупая перспективных сотрудников. Скажите, а какие специалисты сегодня наиболее востребованы? Как и где можно освоить эти профессии?

— Найти хорошего сотрудника в области квантовых технологий почти невозможно. Тем более в сверхпроводящих кубитах, особенно в эксперименте. Спрос огромный, а предложений нет.

Успешный ученый в этой области должен быть невероятно широко образован, понимать квантовую физику и микроволновую технику, разбираться в фабрикации и низкотемпературной технике. Такие люди в количестве одного-двух человек в год выпускаются несколькими экспериментальными группами во всем мире. Бывают, конечно, самоучки, которые переквалифицируются из других областей физики, но это еще большая редкость.

— Что нужно, кроме головы, чтобы развивать это направление в стране? Огромные деньги?

— Нет, деньги — это не самая большая проблема. Проблема как раз в людях, в критическом объеме знаний, в команде, которая может осуществить прорыв. Нужно собрать людей с уникальной квалификацией, которые держат руку на пульсе мировой науки и понимают, в какую сторону она развивается.

— Как вы оцените российскую базу в этом отношении?

— В России сегодня работают три хорошие группы, которыми руководят сильные ученые, в том числе Алексей Устинов и Валерий Рязанов из МИСиС (см. «Огонек» № 38 за 2019 год), Олег Астафьев. Они, безусловно, этой квалификацией обладают. Вопрос в кооперации усилий и в политической воле.

— А можно ли воспитать достойных преемников из студентов? Или качество физического образования в России действительно снизилось?

— Число сильных студентов в России снизилось, видимо, потому, что сегодня у толкового молодого человека есть много разных вариантов, чем заняться. А при советской власти единственное, что можно было делать, не продавая душу дьяволу,— это заниматься наукой.

— А американские студенты изменились?

— Американских студентов в физике традиционно мало, но среди них всегда были сильные ребята. Американские студенты — это в значительной степени приезжие, которые приехали в колледж, аспирантуру, а кто-то еще позже. И поэтому, когда ты видишь перед собой китайца, ты не можешь сказать, родился он в США или приехал — непонятно, где проводить границу. Но сегодня очевидно, что занятия, скажем, нейробиологией стали куда более популярны по сравнению с физикой, чем было 30 лет назад. Многие уходят в исследование междисциплинарных явлений, например нейронных сетей.

Задача на миллион

— Вы говорили, что до сих пор квантовые компьютеры заняты бессмысленными вычислениями. Какие же реальные задачи можно решить? Обычно ответ на этот вопрос звучит очень абстрактно…

— Знаете, сейчас это очень популярная тема: очень много людей занимаются тем, что пытаются понять, есть ли какие-нибудь задачи, которые в ближайшее время можно решить с помощью квантового компьютера, и даже пишут на эту тему научные статьи. Говорят, что скорее всего такую машину можно будет применять для задач, связанных с моделированием каких-нибудь интересных физических или химических процессов.

— Например, связанных с вопросами климата или глобального потепления?

— Нет, в силу того, что эта тема, как мне кажется, больше политическая, на вопрос о том, что происходит с климатом, не ответит ни один компьютер. Если говорить серьезно, то это задача стохастическая (целиком зависит от непредсказуемых случайностей.— «О»), в которой предсказание сделать невозможно.

— Может быть, квантовый компьютер мог бы помочь в борьбе с нынешней пандемией?

— Мы все надеемся, что даже очень несовершенные квантовые компьютеры, которые будут доступны через несколько лет (реально не компьютеры, а симуляторы), могут помочь симулировать важные белки и тем самым создавать эффективные лекарства. Известно, что создать эффективное лекарство от вируса бесконечно сложно. Поэтому, даже когда мы начнем лучше разбираться, как работают белки, большой вопрос, сумеем ли мы это использовать.

— Так в какой же области от квантового компьютера ждать прорыва?

— В первую очередь он поможет решить проблемы оптимизации в различных процессах. Например, есть известная математическая задача про коммивояжера, о решении которой математики уже написали тома. Задача такая: коммивояжеру нужно объехать некоторое количество городов, между которыми известны расстояния. Нужно понять, как найти наилучший способ, чтобы минимизировать дорожные расходы. На классическом компьютере решение требует экспоненциального времени: для решения задачи нужно перебрать все варианты, что требует огромного количества времени. Квантовый компьютер по законам квантовой механики может проанализировать одновременно все множество вариантов. Разница в скорости решения будет колоссальной: если классический компьютер будет это считать миллиард лет, то здесь — несколько секунд.

Другое, применение, более существенное и более реальное, связано с расчетами химических соединений — это настоящая квантовая задача. В частности, многие надеются, что он может быть использован для создания лекарств. Нет сомнений, что для квантовых задач квантовый компьютер очень подходит.

— Почему поиск соединений — квантовая задача?

— Потому что обычный компьютер решает ее очень плохо. Например, мы должны расположить электроны в молекуле, при том что они не находятся в покое, а колеблются, находятся в разных положениях. Чтобы просчитать все возможные точки расположения электронов, нужно провести колоссальные расчеты. Классический компьютер, честно говоря, не может решить такую задачу даже про молекулу воды. Другое дело, что мы более или менее знаем, как она устроена, потому что люди занимались этой проблемой почти сто лет и уже придумали приближенные схемы. Но понять что-нибудь более сложное, вроде химических молекул для фармакологии, невозможно. Поэтому эта область, безусловно, очень сильно изменится с приходом квантового компьютера.

Изнанка науки

— Вы работали в России, Европе и США, можно ли выделить главные национальные особенности организации науки? Отличаются подходы?

— Ну, российского подхода сегодня просто не существует. Если можно это назвать особенностью, пусть будет так. Американский и европейский отличаются просто кардинально.

Во Франции очень хорошо заниматься чисто теоретической наукой, поэтому чем ближе ваша физика к математике, тем лучше там. При этом мои коллеги, молодые экспериментаторы, жалуются, что работать невозможно, потому что установка для эксперимента старше их. Но при этом твое существование в науке не зависит от того, получил ты грант или нет. Это будет не самое лучшее положение, но вполне сносное. Можно даже заниматься какой-то экзотикой, которая интересна только вам.

В Америке такое невозможно в принципе: тебя почти моментально выгонят. Но при этом в США молодой человек на позиции профессора одновременно с назначением получает достаточное количество денег, чтобы организовать новую лабораторию с нуля. Поэтому для того, чтобы сделать что-то действительно серьезное, в США система выстроена лучше.

— Ваш отец, Борис Лазаревич Иоффе, в своих воспоминаниях пишет, что когда он работал в атомном проекте, то физики по-настоящему ощущали, что от них зависит судьба мира. Что зависит от современных физиков? Вы как считаете: квантовые технологии сделают мир лучше?

— То, что они изменят мир,— безусловно. Но сделают ли его лучше — совершенно не ясно. Физику можно рассматривать по-разному. Можно говорить, что ее основная задача — понять, как все устроено на самых разных уровнях, в том числе самые мельчайшие блоки. А можно посмотреть с другой стороны. Нобелевский лауреат Фил Андерсон писал, что если раньше физики изучали, как устроены маленькие блоки, то сегодня перед ними стоит обратная задача. Оказалось, что если собрать эти маленькие блоки вместе, то из них собирается что-то абсолютно новое, непохожее на то, что было в малых масштабах. И эта задача намного интереснее, чем первая. Здесь, я думаю, нас ждет много открытий, о которых мы пока не имеем понятия.

— Наблюдая за устройством мира, в том числе на уровне квантовых размеров, многие ученые обретают религиозное сознание.

— Многие физики, которые думают о фундаментальных проблемах, не могут принять утверждения, что все произошло случайно. При этом я знаю всего нескольких очень хороших физиков, которые соблюдают религиозные обряды. Некоторые из них даже были моими соавторами, но они все — католики, а католические обряды соблюдать намного проще, чем, предположим, в православии. В Америке, кстати, соблюдающих религиозные обряды физиков я, в принципе, не встречал, за одним исключением — это нобелевский лауреат Тони Леггетт.

На мой вкус, основной аргумент против атеизма состоит в том, что вполне можно понять, почему обезьяна интуитивно научилась понимать механику. Дескать, чтобы выжить, ей было полезно понимать, как бросить камень и как замахнуться дубиной. Но вот зачем ей понадобилось понимать различные усложнения, которые в конце концов вылились в способность объяснить квантовую механику или разбираться в том, как устроен космос? Для этого нужно тратить очень много сил и энергии, а очевидной выгоды в этом нет. Непонятно, почему мозг обезьяны оказался достаточно продвинутым и зачем он вообще двигался к такой ненужной для обезьяны цели. Тот факт, что человечество смогло понять сложнейшие явления природы, можно объяснить каким-то замыслом.