Кванты как всемирный технологический тренд

Как создать квантовый ноутбук и с помощью него решать математические задачи? А можно ли передать сообщение с помощью секретного кода? Что будет с искусственным интеллектом в будущем? На эти вопросы ответил физик-экспериментатор Александр Львовский. Т&Р публикуют конспект его лекции.

Почему мир технологий так стремительно меняется

Основа современного технологического развития — это наша способность к быстрой обработке информации и надежному обмену ею. Первый аргумент в пользу этого тезиса — экономический. Если мы посмотрим на пять самых больших компаний в мире по капитализации 10 лет назад, ими были нефтяные компании, банки, техника (но не компьютерная). Сейчас это исключительно IT-компании.

Очевидно, что самая главная технология — это искусственный интеллект, что также называется машинным обучением. Сейчас машины справляются лучше, чем человек. Единственное, в чем они уступают, — это взаимодействие в реальном мире. Человек умеет в этом мире действовать, его чувствовать, измерять, изменять.

Активно развиваются социальные сети. Причем сначала они были игрушкой и средством общения, а сейчас это уже колоссальный политический инструмент. Мы знаем массу примеров: та же «арабская весна», последние президентские выборы в США. Другая сторона социальных сетей — коммерческая.

Следующая примета нашего времени — это развитие интерфейса между человеком и компьютером. 50 лет назад мы программировали компьютеры с помощью перфокарт, потом появилась клавиатура, мышка, графический интерфейс, тачскрин, а сейчас — виртуальная реальность. Другая сторона того же самого интерфейса между биологическими объектами и компьютерными — это инжиниринг генома. То есть мы научились маппировать геном 20 лет назад и лечить какие-то наследственные болезни. Из этого проистекает еще несколько нитей.

Первая — это интерфейс между компьютером и мозгом, компьютером и человеком. Сейчас это биотехнологии, геном, виртуальная реальность, а в будущем — интерфейс между мозгом и компьютером. Следующий этап — это когда мы научимся не просто делать интерфейсы между мозгом и компьютером, а копировать содержание. Мозг, по сути, — это компьютер, у него есть память, код, данные. Соответственно, мы в будущем научимся копировать содержимое этого компьютера на какой-то другой носитель — на кибернетический носитель, а не биологический.

Следующая нить — машинное обучение, искусственный интеллект. Иными словами — это роботика. Менее очевидный этап — появление сильного искусственного интеллекта, который по своим способностям будет превосходить человека. Еще одна нить — это развитие коммерческих сетей.

Ну и вот теперь, объединяя эти три ниточки, мы приходим к явлению, которое называется технологическая сингулярность.

Искусственный интеллект выйдет за пределы своего биологического или даже кибернетического носителя и начнет развиваться самостоятельно по своим законам

Когда произойдет вторая квантовая революция

В этом контексте появляется вторая квантовая революция. Давайте начнем с определения квантовой технологии. Обычно это понимается как технология, основанная на квантовой физике. Транзистор основан на квантовой физике твердого тела, лазер основан на квантовой оптике. То есть квантовая технология — это не новость. Тогда почему же все-таки мы говорим о квантовой технологии либо в настоящем, либо в будущем, а не в прошедшем времени? Сейчас у нас появилась новая способность, которой не было раньше: мы научились использовать квантовую физику не на уровне макроскопических систем, а на уровне индивидуальных элементарных компонентов, атомов, фотонов, ионов. Мы научились манипулировать нашими квантовыми системами на таком уровне и благодаря этому создавать сложные и запутанные квантовые системы. И вот именно это является основой второй квантовой революции.

Проблема заключается в том, что микроскопические объекты управляются некими сложными законами, нежели макроскопические, а именно квантовыми законами. Мы сейчас пересекаем барьер в совершенно другой мир.

Умения и знания, которые мы обрели за 100 лет развития классических информационных технологий, становятся неожиданно бесполезными

Представьте себе, что вы пришли на стадион и видите, что мяч летит через двое ворот одновременно или ведет себя по-разному, в зависимости от того, есть ли на трибуне зрители. Это и есть вторая квантовая революция. То есть оказывается, что, помимо квантовых барьеров, эта вторая квантовая революция даст огромное количество других возможностей.

Условно мы подразделяем наши квантовые технологии на 5 основных категорий: квантовые компьютеры, квантовая коммуникация, криптография, квантовые симуляторы, квантовая хронометрия и квантовые датчики.

Часто приходится слышать такой вопрос: «Когда наконец у меня будет квантовый ноутбук?» С одной стороны, как я сказал, мы подходим к квантовому пределу, и любой компьютер с достаточно маленьким транзистором в какой-то мере является квантовым. Но с другой стороны, если мы хотим воспользоваться этим магическим свойством квантового компьютера решать задачи в состоянии суперпозиции, мы сталкиваемся со следующей проблемой. Мы можем много задач решить одновременно в состоянии суперпозиции, но это означает, что и ответ-то у нас тоже будет в состоянии суперпозиции, а нам сейчас нужен ответ для одной конкретной задачи. Нам надо вычленить нужное решение из этого. Оказывается, что вот эта вот квантовая магия (квантовое преимущество) полезна только для ограниченного класса задач. Мы получим более полное понимание физики твердого тела с помощью квантового компьютера и сможем разрабатывать новые материалы.

Что такое искусственный интеллект и машинное обучение? Те, кто это изучал, знают, что это умножение матриц. Квантовый компьютер очень хорошо с этим может справляться. Есть задача: разложение на простые множители. Ее все решали в школе. Она проста только с маленькими числами, а для больших чисел может стать невыполнимой. Чем больше число, тем экспоненциально сложнее эта задача для обычного компьютера. Эту задачу очень легко решить с помощью квантового компьютера. Я говорил, что краеугольным камнем нашего современного общества является информация — ее обработка и ее обмен. Это также означает, что безопасность информации также является частью этого краеугольного камня. А квантовый компьютер этот краеугольный камень разрушит. То есть квантовый компьютер, помимо своих полезных применений, еще и бомба. Квантовый компьютер, помимо орудия созидания, является также оружием для разрушения — именно он приводит к тому, что все этой технологией так интересуются и все в нее так инвестируют. Причем инвестиции не только на уровне правительств происходят, но и на уровне частных компаний.

Если мы говорим об универсальном квантовом компьютере, то в первую очередь мы должны вспомнить Google. В прошлом году под руководством Джона Мартиниса компания продемонстрировала квантовый компьютер с 53 кубитами. Эта машина решала задачи в неимоверное количество раз быстрее, чем классический компьютер. Например, не за 10 лет, а за 2,5 дня. Задача совершенно бесполезна, по сути, это моделирование квантового компьютера. То есть квантовый компьютер научился моделировать сам себя быстрее, чем классический компьютер.

IBM интересен тем, что они выставили свой квантовый компьютер во всеобщий доступ. Некоторые физики просто живут тем, что пользуются этим компьютером и моделируют всякие вычисления. Наш соотечественник Михаил Лукин сделал не компьютер-симулятор на холодных атомах, а на ионах.

Кто все-таки победитель? Ответ: никто. Есть понятие физического кубита, есть понятие логического кубита. Ну, так же как в классическом компьютере: есть физический бит, а есть логический. Это совокупность большого количества физических битов, так что если в одном из этих физических битов возникнет ошибка, она не повлияет на содержание логического бита. Это некая система коррекции ошибок, которая позволяет все физические процессы восстанавливать. То есть в квантовом компьютере нет системы коррекции ошибок.

Что такое квантовая криптография и для чего она используется

Скажу о последней квантовой технологии — квантовой криптографии. Это пользователь Алиса, пользователь Боб, они хотят обмениваться секретными сообщениями, но у них нет надежного канала. Он прослушивается неким шпионом Евой. Могут ли они все равно обмениваться полезной информацией? Да, могут. Они заранее договорятся о некоей секретной последовательности нулей и единиц, о некоем секретном ключе, Алиса может использовать этот код для того, чтобы закодировать свое сообщение, дальше послать это сообщение по ненадежному каналу: кто угодно может это сообщение увидеть, никто не сможет его понять, кроме Боба, у которого есть другая копия этого секретного ключа.

Этот метод надежен и прост. Проблема в том, что он страшно дорогой. В мире используется так называемая криптография с открытым ключом. Это значит, что технология, изобретенная в 70-х годах, позволяет обмениваться надежными секретными сообщениями между пользователями, которые никогда не видели друг друга, никогда до этого не обменивались информацией. Оказывается, что они все равно могут обмениваться секретными сообщениями благодаря наличию неких функций. Например, факторизация. Перемножить два больших числа легко, а найти простые множители большого числа — трудно. Оказывается, на основе этого можно построить криптографию, которая разгрызается квантовым компьютером. Решить эту проблему может квантовая криптография. Она позволяет общаться пользователям, которые до этого никогда друг с другом не общались и никакого секретного ключа не могли создать. Даже квантовому компьютеру такая криптография не по зубам.

Квантовая криптография и квантовые вычисления — это совершенно разные технологии, которые противодействуют друг другу: квантовый компьютер — это меч, квантовая криптография — это щит

Как устроена квантовая криптография? Идея заключается в том, что информация кодируется в квантовом состоянии отдельных фотонов. Каждый бит кодируется только в одном фотоне. Если кто-то пытается этот фотон подслушать, он может украсть и измерить его состояние, но при этом он неизбежно будет замечен. Он может попытаться дальше послать копию, но эта копия никогда не будет полностью идентична оригиналу. Таким образом, наличие шпиона на линии будет обнаружено. Квантовая криптография, в отличие от квантового компьютера, — это не научная фантастика, не завтрашний день, это сегодняшний день. Уже есть фирмы, в том числе у нас в России, которые производят серверы, их можно подключить прямо к коммерческой оптоволоконной линии и обмениваться информацией квантово надежным образом.

В заключение хотелось бы сказать, что изменения в нашей жизни, к которым приведет развитие квантовых технологий, будут настолько же масштабны, значительны, влиятельны, как и те, которые первая квантовая революция произвела во второй половине XX века.