Классный журнал

Руслан
Юнусов

Квант духа

Разговор о значимости квантовых технологий для нашего будущего, наверное, нужно начать с такой аналогии: если бы сейчас в какой-то стране вдруг перестали работать все компьютеры, с технологическим суверенитетом этой страны было бы однозначно покончено. Прожить в таких условиях, конечно, можно, но о конкурентной экономике речь идти уже не будет.

На сегодняшний день в мире существует несколько перспективных направлений, без которых в будущем нельзя рассчитывать на конкурентоспособность. Например, термоядерный синтез. Пока человечество без него обходится, но через какое-то время он может стать основой технологического суверенитета, потому что, если у одной страны электроэнергии больше, чем у другой, — это серьезное преимущество. Вообще, уровень развития цивилизации можно определять по количеству потребления энергии: чем больше энергии мы потребляем на человека, тем более развита цивилизация. И если, к примеру, в будущем термоядерный синтез даст в десятки раз больше энергии, можно только вообразить, какое конкурентное превосходство будет иметь страна, обладающая таким источником. Однако важно понимать, что основой суверенитета является не одна, а сумма технологий, исключение любой из которых приводит к ослаблению.

Например, искусственный интеллект. Сейчас еще можно представить жизнь без ИИ, но, если он будет внедряться такими темпами, в будущем страна, у которой не будет этих технологий, не сможет быть конкурентоспособной. Или возьмем интернет-платформы — свои поисковики, свои соцсети, свои маркетплейсы есть у малого количества стран. По-моему, полный набор есть только у Китая, России и США. У Европы, к примеру, нет технологического суверенитета в этом смысле — они сидят на американском, а Россия, наоборот, независима: даже если нам отключить зарубежные сервисы, худо-бедно, но у нас есть свои технологии и сервисы, многие из которых объективно лучше мировых.

Еще одно перспективное направление — биотехнологии. Рано или поздно улучшение возможностей человека станет применяться не только для больных людей, но и для здоровых. Сейчас, например, нейроимпланты вживляют людям, имеющим серьезные диагнозы, в будущем подобные манипуляции могут проводить не только для лечения, а, к примеру, для расширения возможностей человека, создания так называемых суперлюдей. И как стране, не имеющей подобной технологии, конкурировать с теми, у кого появятся «суперлюди»?

Так же и с квантами. Мы уже сейчас видим задачи в области оптимизации логистики или разработки новых материалов, например сверхпроводников при комнатной температуре, и так далее. И когда в будущем у одной страны появится возможность решать такие задачи, а у другой нет, это и будет первым шагом к потере того самого технологического суверенитета.

Одно из преимуществ квантовых технологий — в том, что они очень энергоэффективные, так как с ростом количества кубитов мощность квантового компьютера растет экспоненциально быстро. Поэтому, пока квантовый компьютер будет становиться больше и больше, потребление им энергии сильно возрастать не будет, но при этом он будет решать задачи, с которыми не справляются классические суперкомпьютеры — как с точки зрения энергии, так и с точки зрения скорости. В целом человечество в ближайшие десятилетия будет озабочено тем, чтобы придумать более энергоэффективные способы вычислений.

Узким местом развития классических компьютеров, похоже, будет не то, что мы не сможем много процессоров сделать или очень маленьких, а то, что у нас энергии не хватит. Сейчас потребление всех компьютеров на Земле составляет порядка двух процентов от энергопотребления планеты. Даже если все ресурсы потратить только на вычисления, то у нас будет всего в 50 раз больше энергии. Это очень мало. То есть необходимо либо придумать новые источники энергии, которые позволят энергии получать в тысячу раз больше, чем сейчас, а лучше в миллион, либо повысить энергоэффективность вычислений.

Кванты — одна из областей, где это может случиться. Но не на любых задачах, а только на тех, где процессы могут быть распараллелены.

Например, есть задача, которая выполняется последовательно: посчитать, получить результат и использовать его, — этот алгоритм сильно не ускоришь. А если речь идет, допустим, о задаче коммивояжера, где нужно найти оптимальный вариант, как развезти 100 посылок в 100 точек, то это совсем другая история. Да, сейчас существуют какие-то алгоритмы, которые это делают более или менее сносно, — службы такси или доставки как-то же справляются, но лучшее решение все равно никто не умеет искать. Можно только представить, сколько нужно времени вычислителю, чтобы просчитать этот вариант на 100 точек. А если немного усложнить и добавить всего лишь одну точку? Количество вариантов увеличивается сразу в 101 раз, потому что можно через эту точку еще в 100 раз больше вариантов просчитать. То есть очень быстро сложность нарастает, и уже между 100 и 103 точками будет миллион вариантов.

Именно такие задачи с экспоненциально нарастающей сложностью лучше всего решает квантовый компьютер благодаря суперпозиции, запутанности и другим квантовым свойствам, которых мы не видим в нашем мире, но которые позволяют ему обрабатывать информацию одновременно во всех возможных вариантах.

Например, десять тысяч одновременно работающих классических процессоров могут одновременно обработать только десять тысяч вариантов, а квантовый компьютер с 50 идеальными кубитами мог бы обработать 250 вариантов, то есть миллион миллиардов. И ту задачу, которую суперкомпьютер будет решать десять тысяч или миллион лет, квантовый компьютер сможет решить за минуту.

Дело в том, что, пытаясь решить задачу коммивояжера, классический компьютер умножает каждый следующий шаг на 101, на 102, на 103 и так далее, сильно усложняя вычисления, а квантовый добавляет еще один кубит, еще два кубита, еще три кубита. То есть для классического компьютера эта задача с добавлением трех единиц усложнилась в миллион раз, а для квантового — всего на три штуки. При этом объем энергии, потребляемой квантовым компьютером, практически не растет.

Кванты сейчас — один из столпов технологического суверенитета, и для нас очень важно не быть сторонними наблюдателями. Потому что, как говорил Мераб Мамардашвили, «когда надо, уже поздно». То есть когда уже надо, значит всё, поезд ушел, и его не догонишь. И поэтому наша задача сейчас — находить уникальные решения, чтобы быть в группе лидеров, быть участниками этих процессов будущего.

На сегодняшний день лучшие квантовые системы в мире содержат десятки средних кубитов. Относительно хороших, но еще не тех замечательных, которые бы хотелось иметь. В России в рамках -дорожной карты «Квантовые вычисления» усилиями госкорпорации «Росатом» сделано 25 кубитов. Мы ожидаем, что до конца года будет пятьдесят.

Но, чтобы выполнять полезные для экономики задачи, нужно, условно, сколько-то тысяч хороших кубитов. Что такое хороший и плохой кубит? Имеется в виду качество операции, то есть вероятность ошибки. Сейчас квантовые компьютеры всего мира работают с большими ошибками, и у всех разработчиков глобально две проблемы: сделать больше кубитов и сделать их как можно более качественными. Ведь если, к примеру, вероятность ошибки — один процент, то даже миллион кубитов никак не помогут, так как очень быстро будет нарастать погрешность. В итоге составить сложный алгоритм из миллиона кубитов будет невозможно — получится случайный ответ. Поэтому ученые всего мира бьются над тем, чтобы сделать эффективную систему, улучшив и количество, и качество. Это возможно, и уже горизонт не далекий, не теория: если есть сотня кубитов, то из сотни сделать тысячу реально.

Качество наших систем немного отстает от лидеров — Китая и США, но мы очень быстро к ним приближаемся, а в определенных решениях уже к концу этого года покажем неплохие системы. Они не будут лучшими в мире, но уж точно не будут плохими.

При этом Китай инвестирует в кванты в 40 раз больше, чем мы, поэтому и результат у них лучше. У нас, конечно, процессы устроены сложнее, плюс санкционное давление немного замедляет движение, но мы движемся и даже что-то уже смогли импортозаместить. Разумеется, все сделать пока невозможно самостоятельно, но какие-то вещи, например лазеры, мы стали делать собственными силами на мировом уровне. Это круто!

С 2025 года стартует следующий этап дорожной карты «Квантовые вычисления», которую координирует госкорпорация «Росатом». В ней будет много таких прикладных проектов. Цель этой дорожной карты — создать квантовую индустрию от фундаментальной науки и подготовки кадров до выпуска серийных продуктов. И эта задача как раз для «-Росатома». Я считаю, что с точки зрения решения сложных технологических задач «Росатом» — компания номер один в России. Хотя это сложно, когда речь идет о крупной корпорации, базовым принципом которой является безопасность, а соответственно, и низкая толерантность к риску. И это правильный подход, так как нельзя допустить утечку, к примеру, на электростанции или на атомной станции. Но, если необходимо построить такую вещь, которой вообще никогда не было, типа квантового компьютера, здесь толерантность к риску должна быть высокая — раз уж мы не знаем, что делать, надо давать пробовать.

Но даже с дорожной картой сегодня выбиться на лидирующие позиции гораздо сложнее — мы достаточно сильно просели в 90-е годы и, будем честными, во времена Советского Союза тоже не опережали Америку. Мы как-то конкурировали, но не были на первом месте.

Мыслить в догоняющей парадигме, конечно, не нужно, но и шапкозакидательством заниматься тоже не стоит. У нас любят пообещать несбыточное, чтобы получить еще немного денег. Действительно, за последние десять лет в России произошел колоссальный положительный сдвиг в области науки и с точки зрения финансирования, и с точки зрения взращивания кадров. Мне кажется, не надо обещать несбыточное, надо признать, что где-то там, за пределами нашей страны, такие же умные люди работают, и весьма успешно, и продолжать идти по своему пути.

У нас есть нечто, что может стать одним их наших конкурентных преимуществ, — это дух наших людей. Как ни странно, это один из мощнейших двигателей. И вот в это надо вкладываться — возродить в стране пассионарность. Ведь сложные времена всегда рождают сильных людей.

Другой вопрос, что лопатой выкопать траншею быстрее, чем бульдозером, все равно не получится. К тому же многие, кто уехал за границу давно, готовы к нам вернуться и использовать тот опыт, который они там получили, для воспитания людей здесь. Это же прекрасно! «Кадры решают всё» — хороший тезис. У наших людей рождаются уникальные идеи, и многие нерусскоговорящие профессора заявляют о том, что лучшие студенты у них были из России. Здесь у нас есть конкурентное преимущество, возможно, генетически это обусловлено или как-то еще, но оно точно есть. И важно, что мы продолжаем генерировать идеи, не потеряли этот навык. И вот на это опереться, наверное, сейчас очень важно.

Недавно мы запустили национальную научно-инженерную премию «Вызов», чтобы люди могли гордиться нашими учеными, чтобы ребята хотели идти в науку, а не программировать интерфейсы какие-нибудь неинтересные. К слову, самое увлекательное программирование имеет место именно в науке, но многие об этом не знают. В науке сегодня платят неплохие деньги — люди об этом тоже не знают, так как есть инерция мышления с 90-х, которую надо преодолевать. Наверное, после спада 90-х и начала 2000-х мы наконец подошли к моменту, когда необходимо заняться идейными вещами. Другими словами, работа с духом — это очень важная составляющая, которая позволит что-то сделать и с квантовым компьютером.

Мы ожидаем, что к 2030 году в России уже будут первые коммерческие применения квантового компьютера. Да, это очень амбициозная цель, но, думаю, мы справимся. А дальше все зависит от скорости развития. Технологический прогресс не самая очевидная и предсказуемая вещь. Ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, ожидали, что все получится, еще 50 лет назад, пока не получилось. Иногда бывает, что технология развивается, а потом утыкается во что-то и долго не двигается, а бывает все прямо суперкруто. И как это случится, а главное когда, никто не знает.

Поэтому, как только у ученых стали появляться интересные результаты в области квантов, все ИТ-гиганты в Америке открыли свои квантовые программы. Не потому, что они решили через пять лет денег заработать, вполне возможно, ими двигал страх не встроиться в повороты времени. Достаточно распространенная история, когда во время технологического перелома флагманы не справляются и исчезают. Пример — компания Kodak, которая обанкротилась, когда появились цифровые фотографии.

Пытаясь предупредить такой исход, современные крупные ИТ-компании, у которых много денег и не меньше страха, что на следующем витке их кто-то оставит позади, инвестируют во все подряд, чтобы быстро, имея компетенцию, развить это направление. Но это плюс, так как такие компании являются драйверами инженерного роста. Сам факт, что они вошли в эту гонку, ускорил процесс и повысил качество квантовых компьютеров. И кстати, продолжает повышать.

Для того чтобы квантовые компьютеры стали повсеместно использоваться, человечеству надо придумать всего одну классную штуку — квантовый интерфейс, который соединит отдельные блоки квантовых компьютеров в единое целое. Если это сделать, можно быстро масштабироваться. Можно попробовать сделать очень большой чип с большим количеством кубитов, а можно попробовать сделать классную связь между маленькими чипами. Можно на маленьких, более простых, чипах сделать сложную систему, и, если научиться их связывать, они в сумме тоже станут большой сложной системой. Над этим бьются во всем мире, и мы в том числе. Когда это получится, квантовые компьютеры изменят мир.

Например, мы сможем создавать новые вещества, несуществующие в природе, разрабатывать лекарства с уникальными свойствами, может быть, даже предсказывать землетрясения и другие природные явления.

Квантовые технологии изменят нашу жизнь. Как именно, пока неизвестно. Но точно изменят. Поэтому, на мой взгляд, важно уже сегодня создавать новое, то, чего не было никогда. Это откроет перед нами множество новых возможностей.   


Колонка опубликована в журнале  "Русский пионер" №122. Все точки распространения в разделе "Журнальный киоск".