ТЕМА НОМЕРА
оглавление	КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

Защита для кубита

Исследователь из Microsoft Research Алексей Китаев считает, что для создания квантового компьютера реальные частицы могут не понадобиться

Алексей Китаев - выпускник МФТИ, старший научный сотрудник Института теоретической физики им. Ландау. Сейчас работает в Сиэтле в качестве приглашенного сотрудника в компании Microsoft. Главные результаты: обобщение алгоритма Шора, метод автоматической коррекции квантовых вычислений, оригинальная схема квантового компьютера, использующего в качестве кубитов квазичастицы. Наряду с Питером Шором и Дэвидом Дойчем считается сегодня одним из лучших в мире специалистов в области квантовых вычислений.

- Алексей Юрьевич, почему идея квантового компьютера появилась так поздно - почти через шестьдесят лет после открытия квантовой механики?

- Чтобы понять преимущества квантового вычисления и дать ему хорошее математическое определение, нужно смотреть на вещи не слишком конкретно, как это принято в физике, но и не слишком абстрактно, как это свойственно математической логике. С точки зрения последней, классический и квантовый компьютеры обладают одинаковыми возможностями: любая функция, вычислимая на квантовой машине Тьюринга, вычислима и на обычной машине Тьюринга (машина Тьюринга - простейшая модель вычисляющего устройства. - "Эксперт"). Разница в том, сколько времени занимает вычисление, но этим логика не интересуется. С точки же зрения физики, каждое элементарное действие квантового компьютера, вероятно, потребует больше времени, чем одна операция на классическом компьютере. То есть квантовый компьютер будет физически медленнее обычного.

Чтобы понять преимущества квантового компьютера, необходимо отвлечься от таких показателей, как, например, тактовая частота процессора, и принять за единицу времени одну "логическую операцию" (один шаг работы компьютера). Если квантовый компьютер начинает работу с так называемого базисного состояния (то есть в памяти записана определенная последовательность нулей и единиц), то первая квантовая операция будет не намного сложнее классической. Однако дальше сложность растет экспоненциально, и, чтобы промоделировать n квантовых операций, обычному компьютеру потребуется два в степени n шага. Все это достаточно очевидно в рамках теории сложности, но она начала развиваться только в семидесятых годах, поэтому-то понимание того, что квантовые вычисления могут оказаться эффективнее обычных, пришло так поздно.

- Как вы попали в Microsoft и насколько условия труда в западной корпорации отличаются от нашей "академической вольницы"?

- В Microsoft меня пригласил Майкл Фридман. Он известный тополог, лауреат премии Филдса (аналог Нобелевской премии для математиков. - "Эксперт"), но сейчас занимается задачами, связанными с квантовыми вычислениями. Мы работаем в сотрудничестве, поскольку наши научные интересы очень близки. Режим работы - свободный, единственное требование - это активные исследования в своей области и публикация результатов. Вообще, теоретическая группа Microsoft очень небольшая: двенадцать-пятнадцать человек, из которых только семеро работают постоянно, а остальные включая меня приезжают на один-два года. Темы исследований - статистическая физика, теория вероятности, комбинаторика. По квантовым вычислениям есть еще один специалист - Даниэл Готтесман, но мы работаем над разными задачами.

- Кто, кроме Microsoft, вкладывает деньги в разработку квантовых компьютеров и каковы при этом мотивы инвесторов?

- Я не знаю, в чем конкретно состоит интерес Microsoft, могу только предположить. Во-первых, содержать несколько теоретиков, работающих над квантовыми компьютерами, не слишком дорого для такой корпорации. Тем более что в работе могут возникнуть неожиданные побочные результаты: новые классические алгоритмы и тому подобное. Во-вторых, Microsoft имеет большой исследовательский отдел - несколько сотен человек, занимающихся прикладными исследованиями. Небольшая группа теоретиков может оказаться полезной для поддержания научного уровня в коллективе. И наконец, для большой компании есть смысл подумать о будущем. Когда перспектива создания квантового компьютера станет более реальной, имеющиеся специалисты помогут Microsoft сориентироваться в нужном направлении. Помимо Microsoft исследования по квантовым компьютерам проводят IBM и AT&T. IBM даже имеет несколько экспериментаторов, и это тоже не очень дорого: группе экспериментаторов из трех-восьми человек требуется приблизительно миллион долларов в год.

Вообще, большинство исследований по квантовым вычислениям проводится в США. Отдельные группы и специалисты есть в Англии, Израиле, Франции, Германии, Японии, России, Нидерландах. В США финансирование идет не только от частных компаний, но и от организаций, связанных с армией и национальной безопасностью. При этом исследования остаются пока открытыми. Думаю, интерес госорганизаций заключается в том, чтобы Америка оказалась впереди остального мира, когда квантовый компьютер станет реальностью. Как ни странно, NSF, главная структура по поддержке фундаментальных исследований в США (аналог Российского фонда фундаментальных исследований), почти не давала грантов по квантово-вычислительным проектам. Но, возможно, скоро положение изменится. В конце прошлого года NSF провела специальную конференцию, чтобы разобраться, что происходит в этой области и на что выделять деньги. Я также слышал о совместной европейско-американской программе финансирования, но подробностей не знаю.

- Ваш прогноз: когда квантовый компьютер появится на рынке?

- Пока о точных сроках говорить преждевременно. Напомню, что идея создания обычного компьютера была выдвинута Чарльзом Бэбиджем в середине прошлого века. На ее реализацию потребовалось больше ста лет. По отношению к квантовому компьютеру распространенные сейчас hard-технологии можно сравнить с рычажками и колесиками, которыми располагал Бэбидж. Однако в наше время технологии появляются и развиваются довольно быстро, поэтому я настроен оптимистично. В области квантовых алгоритмов сейчас, правда, затишье: нет новых идей. Но это нормально. У меня нет ощущения, что мы наткнулись на непробиваемую стену: нужно работать, и идеи появятся. В области эксперимента, напротив, происходит бурная деятельность, здесь в последнее время появилось много разных проектов, но оценить их можно будет только через какое-то время.

- Многие российские специалисты по квантовым компьютерам работают сейчас на Западе. Не отстанет ли Россия от остальных стран, не следует ли ей подумать о национальной программе по созданию квантового компьютера?

- Россия, конечно, отстала. Но пока не очень сильно, так как практических результатов еще нет нигде. Отсюда следует, что, если начать поддержку исследований немедленно, есть шанс наверстать упущенное. Я думаю, должно быть несколько конкурирующих проектов, включающих и теоретиков, и экспериментаторов. Один такой проект уже существует: "Мезоскопические электронные системы для квантовых вычислений и телекоммуникаций", руководитель - член-корреспондент РАН В. Ф. Гантмахер. Работают над этой проблемой и в Институте теоретической физики имени Ландау - это группа Михаила Фейгельмана, с которой я поддерживаю тесный контакт. Есть еще экспериментаторы из Черноголовки: Валерий Рязанов и другие. Потенциал у них большой, имеются интересные заготовки, однако пока работа происходит так: часть эксперимента (обычно изготовление образца) делается на чужом оборудовании в Европе, остальное (обычно электрические измерения) - у себя. Конечно, для эффективной работы нужно иметь собственный полный комплект оборудования (замечу, что он может обойтись в три-пять миллионов долларов), и здесь исследователям стоит помочь. Но общенациональная программа пока неосуществима, да и, по-моему, не нужна. Во-первых, это будет проект такого же масштаба, как создание атомной бомбы пятьдесят лет назад, а фигуры типа Курчатова сейчас просто нет, хотя руководителей для нескольких небольших проектов найти можно. Во-вторых, пока все-таки неясно, в какой из вариантов квантового компьютера лучше вкладывать деньги. Общероссийский проект был бы полезен на более поздней стадии, когда определится наиболее перспективное направление.

- А какой из вариантов реализации квантового компьютера, по-вашему, окажется наиболее эффективным?

- Когда цель находится далеко, принято ставить промежуточные задачи. Именно такой промежуточной задачей для создания квантового компьютера считается сегодня физическая реализация кубитов и операций над ними. Кубит нельзя полностью изолировать от окружающей среды, разрушающей процесс вычислений. Поэтому его пытаются "защитить" - как правило, под этим подразумевается, что к одному кубиту добавляется несколько "запасных". На этот счет у меня есть идея, в которую я по-настоящему верю: чтобы создать "защищенный" кубит, обычные кубиты вообще не нужны. Промежуточная задача должна быть другой - необходимо создать подходящую квантовую среду.

Сейчас я попробую пояснить, что я имею в виду. Квантовая среда - сильно "запутанное" состояние электронов или спинов, замечательные свойства которого проявляются в наличии особых квазичастиц - анионов. Вообще, в физике квазичастицами называют возбуждения среды, которые могут двигаться в ней подобно обычным частицам, хотя таковыми не являются. Пример: фононы (кванты звуковых колебаний) или "дырки" в полупроводнике. Так вот, анионы обладают "защищенными" степенями свободы, на которых можно считать, то есть они и становятся "защищенными" кубитами. Операции над ними можно производить, двигая анионы вокруг друг друга или соединяя их вместе. Сейчас известен один пример среды с такими анионами - квантовый эффект Холла. Думаю, нужно интенсивно изучать эту систему, а также искать другие примеры. Я бы не стал утверждать, что именно в это направление следует вкладывать миллионы долларов в ущерб остальным, но за свои умственные ресурсы я отвечаю.

Беседу вели Дан Медовников и Владислав Тюменев

© Эксперт, #17 (228) от 8 мая 2000