Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии Форума будущих технологий. «Вычисления и связь. Квантовый мир» «Квантовый интернет: можно ли создать квантовый суперкомпьютер? Останется ли место для искусственного интеллекта?»
Концепция «квантового интернета» была сформулирована в 2008 г американским ученым Х.Д. Кимблом [1]. Идея базируется на понятии «квантовой сети», обеспечивающей производство, обработку и хранение квантовой информации в локальных «квантовых узлах», которые связаны друг с другом «квантовыми каналами», обеспечивающими передачу квантовых состояний по протоколу «квантовой телепортации» от узла к узлу с высокой степенью достоверности и позволяющими распространять «квантовую запутанность» состояний по всей сети. Предполагалось, что такая структура сможет решать задачи, которые не подвластны устройствам и сетям, основанным на принципах классической физики, например, осуществлять передачу «квантового программного обеспечения». Более того, ожидалось, что объединение в рамках одной квантовой сети нескольких квантовых компьютеров позволит создать квантовое вычислительное устройство (суперкомпьютер) с мощностью, недоступной для его отдельных составляющих. Возможности квантового интернета, реализованного на основе квантовых сетей, могли бы включать такие функции как безопасный полномасштабный доступ к облачным квантовым компьютерам, распределенные квантовые измерения, хранение квантовой информации, а также интеграцию наземно-космических квантовых каналов с использованием спутников.
Естественными «материальными» объектами для реализации квантовых сетей являются одиночные атомы, используемые в качестве элементарных «квантовых узлов», и более сложные материальные квантовые вычислительные системы, а также одиночные фотоны, обеспечивающие квантовую телепортацию между узлами сети. При этом критически важными функциональными компонентами являются долговременная «квантовая память», предоставляемая системами атомов, и эффективный интерфейс типа «свет-вещество», реализованный на уровне одиночных атомов и фотонов. На момент формулирования концепции квантового интернета достижение этих функциональных возможностей представлялось возможным лишь в отдаленной перспективе. Несмотря на значительные успехи в области конструирования отдельных узлов квантовых сетей [2], в необходимом объеме эти задачи не решены и в настоящее время.
Таким образом, перед участниками сессии «Квантовый интернет: можно ли создать квантовый суперкомпьютер? Останется ли место для искусственного интеллекта?» стояла непростая задача: оценка реализуемости концепции, физическое воплощение которой в настоящее время находится на уровне отработки прототипов составляющих элементов. Более того, «обычные» квантовые компьютеры сегодня также не являются самодостаточными вычислительными устройствами. Скорее, это тестовые продукты, еще не пригодные для решения практических задач. Очень сложно предсказывать свойства составного объекта при отсутствии достаточной информации о составляющих частях! Поэтому в ходе дискуссии обсуждаемые вопросы были перефразированы на более внятные и актуальные: насколько в 2023 г. своевременна постановка проблемы реализации квантового суперкомпьютера? В каком горизонте мы можем говорить, что квантовый компьютер — это реальность? Может ли быть синергия квантового компьютера с искусственным интеллектом?
Все участники дискуссии согласились, что идея использовать квантовые состояния для вычислений красива и привлекательна. Определенные сдвиги в области физической реализации квантовых компьютеров в настоящее время уже есть. Так фирма IBM недавно показала квантовый процессор, содержащий 433 сверхпроводниковых кубита и продемонстрировала решение конкретной задачи на квантовом процессоре, содержащем 127 кубит [3]. Тем не менее полноценной реализации, требующей использования как минимум миллиона кубитов, в настоящее время не существует.
Кроме числа кубитов, исключительно важным является также вопрос о точности выполнения операции, которая для существующих квантовых процессоров заметно меньше, чем, например, у существующих обучаемых нейронных сетей, реализующих концепцию искусственного интеллекта. Тем не менее, как отметил участник дискуссии Иван Оселедец (директор, Центр технологий искусственного интеллекта, Сколковский институт науки и технологий (СколТех); ведущий научный сотрудник, Институт искусственного интеллекта (AIRI)), существуют задачи оптимизации, где высокая точность вычислений не нужна, и уже квантовые компьютеры с числом кубитов порядка сотни могут выполнять вычисления, иначе требующие использования классических суперкомпьютеров. В этом случае можно говорить об экономической эффективности, в силу чего различные компании (особенно — банки) с интересом рассматривают возможность использования квантовых компьютеров для практических задач оптимизации. Участник дискуссии Сергей Наквасин (директор, Национальный центр развития искусственного интеллекта при Правительстве Российской Федерации) в качестве примера такой задачи привел задачу оптимизации городской застройки. Работа в этом направлении ведется и, можно ожидать, что лет через 7 будет показан прототип полезного устройства. Вероятно, именно такой промежуток времени и можно рассматривать как показатель горизонта появления практически полезных квантовых компьютеров.
Что касается перспектив развития концепции квантового интернета, эксперты отметили, что, безусловно, это интересная технология для безопасной передачи данных и использования запутанности для объединения квантовых устройств в единую сеть. Несмотря на отсутствие на сегодняшний день работающих физических реализаций, исследования в этом направлении активно ведутся. Так, недавно фирма IBM объявила, что к 2033 году предполагается реализовать объединение четырех квантовых процессоров по 25000 кубитов каждый в единую сеть. Участники дискуссии отметили, тем не менее, важность правильного выбора задачи при использовании квантовых вычислительных устройств. Предпочтительным представляется класс задач, где данных мало, а вычислений много. Напротив, с задачами, где данных много, сейчас более успешно справляются компьютеры на основе нейронных сетей. В этом смысле острота проблемы синергии квантовых компьютеров с нейросетью и искусственным интеллектом не очевидна.
Подводя итог обсуждения вопросов развития концепции квантовых вычислений в мире в целом и в России — в частности, эксперты констатировали, что данная тема может оказаться особенно перспективной для России в силу того, что все страны находятся более-менее в одинаковом положении в начале разработки очень интересного направления. Ничего не понятно, но страшно интересно! Одна из ключевых проблем в нашей стране в области информатики заключается в том, что за последние 30 лет Россия фактически выпала из общемирового рынка микропроцессорных плат и соревноваться в этой области с мировыми лидерами фактически невозможно. Возможным выходом из этой неприятной ситуации может быть скачок сразу на два поколения. И выполняющиеся сейчас исследования в области квантовых вычислений можно рассматривать как робкую попытку выскочить в этой гонке вперед.
Действительно, наши попытки перегнать конкурентов в существующей парадигме имеют, может быть, меньше смысла, чем попытки обойти и зайти совершенно, с другой стороны, чтобы снова оказаться в числе лидеров. Основные предпосылки для этого есть, включая весь спектр необходимых ископаемых компонент и удивительный по богатству генофонд поколения молодых математиков, физиков, химиков. Более того, есть конкретные результаты несмотря на то, что уровень бюджета исследований в целом на порядок меньше, чем в лидирующих странах, и хватает его сейчас только на то, чтобы уверенно держаться за хвост убегающей технологической революции.
Из рекомендаций для органов государственной и муниципальной власти надо отметить несколько раз прозвучавший во время обсуждения запрос обозначения точного места квантовых технологий в общей промышленной политике страны. Была также сформулирована рекомендация почаще заглядывать в соцсети, чтобы максимально избегать опасного разрыва между управленческим блоком и реальной жизнью.
Список источников.
1. Kimble, H. J. The Quantum Internet, Nature (London) 453, 1023 (2008).
2. Couteau, C., Barz, S., Durt, T. et al. Applications of single photons to quantum communication and computing. Nat Rev Phys 5, 326–338 (2023).
3. Kim, Y., Eddins, A., Anand, S. et al. Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance. Nature 618, 500–505 (2023).
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
