Квантовый компьютер нужно создавать всем миром

В погоне за прибылью можно лишить университеты талантливых научных кадров и отрезать пути для дальнейших исследований в области квантовых технологий, ‒ предостерегают Дж. Биамонте, П. Дорожкин и И. Захаров.

d41586-019-02675-5_17144454

Устройство для охлаждения квантового процессора. Разработка компании D-Wave Systems (г. Бернаби, Канада).

 

 

Если несколько лет назад квантовые технологии были очень узким и не самым приоритетным направлением научных исследований, то сегодня о квантовом компьютере во весь голос заговорили во всем мире, причем не только в сфере бизнеса, но и на государственном уровне. Хотя до появления реального «универсального» квантового компьютера, способного выполнять любые вычисления без шума, ошибок и сбоев, пройдет еще не один десяток лет, уже сегодня инвестиции в коммерциализацию первых квантовых разработок исчисляются миллиардами долларов.

Американская технологическая компания IBM и канадская компания D-Wave Systems уже начали предоставлять доступ к первым компьютерам с элементами квантовых вычислений на коммерческой основе. Аналогичный сервис через 3-5 лет планируют запустить компании Google, Microsoft и Intel. Первые образцы квантовых устройств справляются с определенными вычислительными задачами быстрее, чем традиционные компьютеры, однако они все-таки уступают квантовому компьютеру по универсальности и уровню мощности, не обеспечивая безошибочной работы и коррекции шума. Если удастся успешно решить ряд сложных технических проблем, можно было бы всерьез подумать об использовании первых разработок в области квантовых компьютеров в таких областях, как машинное обучение и оптимизация.

Следует отметить, что стремление компаний к коммерциализации и получению быстрой прибыли от внедрения первых результатов существенно тормозит дальнейшее развитие исследований и разработок в области квантовых компьютеров. Многие компании сейчас активно создают у себя большие исследовательские группы, что приводит к оттоку научных кадров из университетов. Сотни стартапов патентуют результаты исследовательской деятельности, которая финансировалась за счет государства, тем самым перекрывая возможные пути для дальнейших исследований.

Наблюдается и увеличение объемов государственного финансирования проектов создания квантовых компьютеров, однако, государственные средства распределяются крайне неравномерно и направляются главным образом на разработку оборудования. Первую скрипку здесь играют североамериканские компании, которые и определяют основные направления развития данной области исходя из собственных интересов, в частности, делая акцент на разработке сверхпроводниковых технологий. Конкурировать с ними могут разве что крупные исследовательские центры, имеющие всю необходимую для этого инфраструктуру. Особое внимание уделяется вопросам национальной безопасности и защите коммерческих интересов, что неизбежно создает новые геополитические барьеры на пути развития квантовых технологий.

И все это происходит в очень важный исторический момент, когда уже практически перестал работать закон Мура, согласно которому число транзисторов, размещаемых на кристалле микросхемы, удваивается примерно каждые два года, а методы машинного обучения находят применение в совершенно новых областях. Мы уже не можем позволить себе десятилетиями дожидаться появления «квантового суперпроцессора», способного решить любую задачу, недоступную для классического компьютера. Совершенно по-другому обстоят дела в других областях, например, в биотехнологии: считалось, что пик развития биотехнологий пришелся на 90-е годы прошлого века, однако, уже 20 лет спустя появилась революционная технология редактирования генов – CRISPR.

Мы обращаемся ко всем ученым, представляющим академическое и промышленное сообщества, с призывом продолжать работу по созданию квантовых приложений с позиций открытости и независимости. С одной стороны, фундаментальные научные исследования нельзя проводить в полной изоляции, а, с другой, наука должна быть независима от политики. Создаваемые устройства и вкладываемые в их создание колоссальные средства, как и вся мировая наука в целом, должны работать на благо всего человечества.

 

УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В МИРЕ

Большинство идей, лежащих в основе квантовых компьютеров, зародилось в процессе исследований, выполнявшихся на государственные средства. Сегодня огромный потенциал квантовых технологий уже ни у кого не вызывает сомнений, и правительства многих стран начинают активно поддерживать исследования и разработки в этом направлении.

Пока лидерство в этой области принадлежит нескольким странам – это США, Великобритания, Япония, Швеция, Сингапур, Канада и Китай. Каждая из этих стран только на 2017 год выделила от 100 до 300 млн долл. США на исследования в области квантовых технологий. В Великобритании общий объем государственных и частных инвестиций за период с 2014 года по настоящее время составил свыше 1 млрд долл. США. В 2018 году США и Европейский союз запустили две крупномасштабные программы объемом в несколько миллиардов долларов США: пятилетняя Национальная квантовая инициатива США и десятилетняя Флагманская программа ЕС по развитию квантовых технологий. Китай планирует в 2020 году открыть крупнейший в мире суперцентр квантовых исследований общей стоимостью 10 млрд долл. США.

Этому примеру уже последовали и другие страны. Индия и Южная Корея намерены финансировать квантовые исследования в объеме десятков миллионов долларов США в год. В России квантовые технологии входят в десятку основных национальных технологических приоритетов. В стране создается несколько центров, которые будут координировать выполнение исследований и разработок с привлечением как частного, так и государственного капитала. На начальном этапе на крупные проекты планируется выделить до 300 млн долл. США.

Такие серьезные вливания уже приносят свои плоды, однако результаты проводимых исследований, как правило, не получают дальнейшего развития и зачастую уходят в частные руки. В условиях острой борьбы за корпоративные интересы и охлаждения международного политического климата ученым становится все труднее сотрудничать и обмениваться опытом с коллегами из других стран. Такая изоляция приводит к бессмысленному дублированию усилий и пустой трате времени на исследование малоперспективных направлений.

В отчете за 2019 год, подготовленном Национальной академией наук США при поддержке Аппарата директора национальной разведки США, подчеркивается, что проведение исследований и разработок в области квантовых технологий может иметь нежелательные последствия для национальной безопасности страны. Американским ученым, исследовательская работа которых оплачивается из средств Департамента энергетики США, запрещено сотрудничать с коллегами из более чем 30 стран, включая Китай и Россию.

Все это не может не коснуться и исследований, которые мы проводим в Сколковском институте науки и технологий (Сколтех) ‒ современном англоязычном университете, основанном в 2011 году в Москве в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (МТИ), г. Кембридж (США). Интернациональная команда, мировой уровень науки и образования, а также атмосфера сотрудничества ‒ это именно то, что привело нас в Сколтех. И самое наглядное подтверждение тому ‒ мы сами: Джейкоб Биамонте ‒ американец, Павел Дорожкин ‒ русский, а Игорь Захаров ‒ голландец русского происхождения. Наши коллеги из других стран, конечно, по-прежнему продолжают с нами работать, но российско-европейские соглашения о проведении совместных исследований вот-вот утратят силу, а переговоров об их продлении даже не ведется. Теперь для осуществления сотрудничества между участниками флагманской программы ЕС и учеными из США, России и Китая требуются отдельные переговоры!

СДЕРЖИВАЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Не исключено, что разработка квантовых технологий станет очередной гонкой по принципу «победитель забирает все». Безусловным и недосягаемым лидером в области квантового оборудования сейчас является Северная Америка. Такие компании, как Google в Калифорнии и D-Wave в Канаде, продолжают оказывать услуги на базе своих квантовых компьютеров пользователям в любой стране мира. Доступ осуществляется только через облако, а о доступе к самим процессорам, естественно, речи не идет.

Европейские политики опасаются, что уже не успеют сесть в уходящий поезд. В Европе программа развития квантовых технологий есть только у одной компании ‒ Atos/Bull, которая базируется во Франции и занимается созданием программно-аппаратных средств. Флагманская программа ЕС предусматривает разработку аппаратных средств, подобных тем, что создаются в США, и выполнение исследований в отдельных направлениях, которые в США слабо развиты. Однако Европейский Союз не выделяет достаточных средств на развитие квантовых приложений, что, на наш взгляд, является серьезным упущением.  Остальные компании, существенно отстающие от европейского лидера, заявляют о своих планах по увеличению инвестирования в квантовые технологии.

 «Не исключено, что разработка квантовых технологий станет очередной гонкой по принципу «победитель забирает все»».

Многие исследователи надеются, что компании все-таки примут меры по сокращению отставания в разработке квантовых приложений, хотя следует признать, что многие из этих компаний не заинтересованы в проведении фундаментальных исследований в области теории квантовой обработки информации, к тому же зачастую они работают в одиночку. А это значит, что рост числа стартапов и коммерциализация квантового программного обеспечения на таком раннем этапе в совокупности могут стать серьезным тормозом для развития теоретических основ, методов и инструментальных средств квантовых вычислений.

Эффективному развитию квантовых технологий препятствует и использование утративших актуальность соглашений и предположений. Кроме того, до конца не определен круг практических применений квантовых компьютеров и мало изучены возможности их применения в таких областях, как, например, машинное обучение. Неизвестно, смогут ли квантовые компьютеры обеспечить принципиально новый уровень характеристик, которого от них ждут, ведь даже классические алгоритмы (например, алгоритм факторизации Шора и алгоритм Гровера), похоже, не способны работать на неидеальных машинах без коррекции ошибок. Смогут ли программисты создать такие программные коды, которые будут работать на реальных устройствах в условиях шума?

ДАЛЬНЕЙШИЕ ШАГИ

Ученым необходимо выработать четкую систему представлений о квантовых вычислениях и определить круг приложений для квантовых технологий. Сейчас наступил самый подходящий момент для того, чтобы взяться за наиболее сложные задачи, решить которые не под силу ни отдельным стартапам, ни индустрии в целом. Как далеко можно продвинуться в развитии квантовых устройств, при том что проблема шума будет сохраняться? Приведет ли это к пробуксовке разработок и, как следствие, к прекращению притока инвестиций?

Правительствам следует выделять больше средств на разработку программного обеспечения для квантовых компьютеров. Разработчики оборудования стремятся получить как можно больше средств на создание квантового процессора, с которым можно было бы претендовать на Нобелевскую премию. Разработчикам программного обеспечения следует действовать столь же настойчиво, четко заявляя о стоящих перед ними задачах. Инвесторы, в свою очередь, должны понимать, что создание квантового компьютера ‒ задача не одного года, и ее решение требует самых разных подходов. Не исключено, что, когда оборудование выйдет на новый уровень по производительности, никто не будет знать, что с ним делать.

Промышленные компании и особенно стартапы должны наладить более тесное сотрудничество с университетами, в частности, за счет финансирования небольших теоретических проектов и инвестиций в разработку теоретических основ квантовых вычислений.

Необходимо также сохранять и всецело поддерживать проекты международного сотрудничества. Правительства должны прилагать больше усилий для поддержания в силе соглашений о сотрудничестве в научной сфере, невзирая на возможные политические разногласия между странами. И ученые, и инвесторы не должны забывать о том, что научные исследования должны иметь глобальный, интернациональный и открытый характер. Исследователи постоянно перемещаются по всему миру и в своей профессиональной деятельности сталкиваются с множеством случайных факторов, поэтому переезд специалиста из одной страны в другую вовсе не является поводом для разрыва сложившихся отношений.

Уже в ближайшее время могут появиться первые квантовые процессоры среднего размера (хотя к моменту их появления проблема шума вряд ли будет полностью решена). Будет ли к этому моменту готово необходимое программное обеспечение? И не пожалеют ли компании о том, что стали инвестировать в оборудование, а не в разработку алгоритмов и базовых концепций, которые и будут определять облик будущих квантовых компьютеров?

 

Джейкоб Д. Биамонте доцент, заведующий Лабораторией квантовой обработки информации; Павел Дорожкин заместитель директора Департамента индустриальных программ ; Игорь Захаров старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации. Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия. E-mail: .

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK