Что я узнал о дивном мире квантовых вычислений

Зачем я полез в квантовые вычисления

Я гик. Мне в кайф узнавать что-то новое, крутое и сложное. А квантовые вычисления – это и физика, и математика, и computer science. К тому же, обещает просто какие-то алгоритмичесие чудеса типа быстрой факторизации больших чисел, тогда как современная технология защиты информации базируется на преположении, что это делать очень сложно. Я решил, что это челлендж: хватит ли мне интеллектуальных усилий, чтоб разобраться в самой сути квантовых вычислений и понять, насколько кванты действительно способны изменить мир. Заодно я решил сделать что-то полезное и помог Семену Синченко с разработкой курса по квантовому машинному обучению.

Надо сказать, что тема действительно сложная. Несмотря на то, что у нас была зубодробительная квантовая физика на физтехе, мне пришлось заново почти все вспоминать (а через лекции Прескилла я так и не продрался). И даже популярные курсы типа "Квантовых вычислений" от СПбГУ очень много требуют от слушателя на входе. Но в этом посте я постраюсь не заумствовать и не "крутить кубиты", а рассказать, что для себя вынес из своих увлечений квантами и каковы, на мой взгляд, перспективы квантовых вычислений.

Если вы ничего не знаете о мире квантовых вычислений, мой обзор что-то да расскажет. Читать все же надо, как говорится, with a grain of salt – лезть в дивный новый мир квантовых вычислений так же сложно, как в любую столь же сложную область, будь то микробиология или неврология.

Бесконечные надежды и критика

Очень многие критики говорят, что кванты никогда не выстрелят, слишком много ограничений как технических, так и фундаментальных, к тому же все перегревается бешенным хайпом. Тут сложно возразить, действительно пока квантовые вычисления не меняют мир, а надежды они подают уж лет 100 как. Впрочем, есть как авторитетные скептики, так и авторитетные сторонники – тут черт ногу сломит.

На мой взгляд, кванты почти наверное выстрелят, вот только никто не знает, когда именно. Можно на минуту представить, что кванты сейчас – это как Deep Learning в 2010-2011 году. Уже не особо модно, приложений особо нет, хотя теории полным полно. Но кто бы знал, как оно все рванет уже в ближайшие годы. Так же точно New York Times в 1903 году, за 2 месяца до полета братьев Райт, предсказывала, что самолеты полетят только через 10 млн лет.

К слову, Скотт Ааронсон, один из видимых популяризаторов квантовых вычислениях, вообще не рассматривает вопрос о практически полезных квантовых компьютерах, а занимается чисто теорией, поскольку “это же черт возьми бесконечно блять круто” (как тот физик из мема про то, зачем нам ловить гравитационные волны, скиньте кто найдет – буду рад).

Основные сложности

Теория квантовых вычислений далеко впереди практики. Алгоритмы уже изобретены и ждут своего часа, когда появится работающий квантовый компьютер с тысячасм-миллионами кубитов (квантовых битов). Но сейчас все еще кубитов – десятки/сотни, а какие-либо полезные алгоритмы запускаются вообще на паре-тройке кубитов. Вот далеко не исчерпывающий список технических проблем на пути к полноценному квантовому компьютеру:

• Физические эксперименты как правило очень дорогие, например, режим сверхпроводимости может требовать очень низких температур вблизи почти абсолютного нуля
• С одной стороны, кубиты должны быть изолированы от мира, чтоб не терять своего состояния. Иначе происходит декогеренция, это примерно как батарейка, которая лежит, контактирует с воздухом и теряет заряд, только кубиты намного быстрее теряют свое чистое состояние.
• С другой стороны, кубиты надо уметь измерять, то есть они все же обязаны как-то контактировать со средой. Проблема примерно той же природы, что нельзя измерить температуру среды, не понизив ее, т.к. градусник нагревается. Только на квантовом уровне это прям сложно.

Из-за этих и десятка других инженерных или фундаментальных проблем с построением кубитов, текущее состояние области, если утрировать – статья в Nature "Факторизация числа 21 на квантовом компьютере" (да, именно поиск разложения 21=3*7).

Первые успехи и появление квантовых стартапов

Олды помнят, еще в 70-80-ые все говорили о квантовых вычислениях, но сейчас это еще подкрепляется реальными успехами. Пресловутое "квантовое превосходство гугла" – это, с одной стороны, пальба из пушки по воробьям: решаемая задача уж больно специфичесая и на практике абсолютно бесполезная. С другой стороны, преимущество над классическими компьютерами продемонстрировано, то есть все-таки квантовый компьютер Гугла сделал что-то (пусть и бесполезное), что классический суперкомпьютер не повторит за время жизни Вселенной. Так что тут мнения экспертов снова расходятся.

Так или иначе, шумиха вокруг квантовых вычислений создается (даже too much) и появляются разнообразные стартапы, которые:

• играют в игрушки. В целом квантовые вычисления могут показаться даже проще, чем DL – там по сути надо только унитарные операции к тензорам применять, даже нет нелинейностей. Поэтому набежали всякие “фреймворки”, по сути вращающие тензоры (numpy + напильник + маркетинг). Инвесторам (да и не только), конечно, сложно отделить зерна от плевел. То же касается и исследований. Пример: GAN с 4 кубитами, рисующий те же MNIST картинки, что классический с 200 параметрами – реально ли тут есть value, или это игра в игрушки?
• откровенно пытаются наябать инвесторов и ничего не достичь
• занимаются железом. Тут Rigetti, пожалуй, наиболее известный конкурент IBM, гугла и китайцев. Но не очень понятно, выстрелит технология или нет

Есть уже и целые венчурные фонды, специализирующиеся на квантах. Есть классное популярное видео про то, как обстоят дела в квантовом венчуре.

Потениальные приложения

Квантовое моделирование

Вкратце, самое многообещающее приложение – это, собственно, кванты для квантов – моделирование квантовых систем и симуляция квантовой механики. Это про решение уравнения Шредингера для сложных систем (в классике даже задача трех тел не решается аналитически, а симуляции тоже бессильны для хоть какого-то разумного числа элементарных частиц). Тут мне сложно махать руками, т.к. надо разбираться и в квантмехе, и квантовой химии, но как я понимаю, с настоящим квантовым компом будет дикий прогресс в задачах типа предсказания сворачивания белка и, в конечном счете, разработки лекарств. А также в разработке новых материалов с нужными свойствами.

Оптимизация

Есть еще оптимизация, всякие квантовые алгоритмы для решения NP-полных задач. Ну, может, в будущем оптимальный маршрут в Я.Картах и будет строиться на квантовом компе, но в целом это так не повлияет на нашу жизнь, как квантовое моделирование.

Криптография и биткойн

Много разговоров про алгоритм Шора и взлом алгоритма шифрования RSA. Это просто шумиха (как и майнинг битка на квантовых компах). Уже вовсю исследуется постквантовая криптография, защищающая от взлома RSA. К тому же, допустим RSA128 можно будет поломать, но если просто увеличить ключ, понадобится много качественных кубитов для взлома, а столько еще нет. Тем не менее, алгоритм Шора – легендарный, с него по сути и начались все эти разговоры про кванты и будущее.

Что возможно уже сейчас

При всем сказанном квантовые вычисления полезны уже сейчас, в NISQ эпоху (noisy intermediate-scale quantum), когда кубитов немного, и они неидеальны. Поиск собственных значений и векторов, оказывается, сложная задача. Есть квантовых аналог – variational quantum eigensolver, вот он может работать с неидеальными кубитами.

Оказывается, поиск первого собственного вектора гамильтониана системы – очень важная прикладная задача, актуальная для разных физических процессов таких как квантовый отжиг, моделирование электронной структуры молекулы и т.д. Хороший обзор сделал Семен Синченко для нашего курса QML. Тут система описывается гамильтонинаном (он столь огромен для больших систем, что даже загрузить его в классическую память – проблема), а ее основное состояние (собственные значения и вектор гамильтонина) описывает решение – то есть по сути физическую конфигурацию системы. Для VQE не нужен абстрактный идеальный квантовый комп, достаточно кучи неидеальных кубитов. Вот конкретно под одну эту задачу заточен DWave. И вроде как все успешно, потенциал есть. Хотя, как я понимаю, пока еще недостаточно кубитов для каких-то реально прорывных case studies.

Заключение и фантазии

Я не исключаю возможности, что кто-то изобретет прорывную технологию, условно, взглянет как-то по-другому на кубиты и сделает вещество, в котором каждый атом – кубит, и тогда вычислительные возможности будут по сути не ограничены.
Как и в 2012 с нейронными сетями, вполне возможен прямо принципиальный прорыв, и тогда все ринутся в кванты. Но в ближайшее время таких прорывов, как машинное обучение или тем более Интернет, думаю, не ожидается.

Что еще почитать и посмотреть

Оставлю ссылки на некоторые материалы для простых людей (тут без параллельных вселенных, копенгагенских многомировых интерпретаций и философских маханий руками):

• “Quantum computing for the very curious” – лучший из ресурсов из тех, что я нашел, для описанной цели: разобраться, о чем вообще эти квантовые вычисления.
• Обзорная статья про квантовые вычисления “О квантовых компьютерах, биткоине и превосходстве” в курсе квантового машинного обучения от ODS
• статья Вастрика про квантовый компьютер
• Статья на Хабре "Есть две функции", рассказывающая про один из уже классических квантовых алгоритмов, с математикой и кодом на Python
• видео, объясняющее, почему "квантовый пузырь" обязан скоро лопнуть

Изначально это был пост в моем телеграм-канале "New Yorko Times".