Квантовые вычисления обещают совершить революцию во многих сферах — от криптографии до медицины, однако за громкими заголовками в прессе часто скрывается суровая реальность. В рамках интервью для World Science Festival директор по исследованиям квантовых алгоритмов в Google Райан Баббуш подробно объясняет, почему без создания специализированного программного обеспечения мощное «железо» останется лишь хайпом. Центральной темой беседы становится критическая важность разработки алгоритмов, способных превратить теоретический потенциал квантовых систем в практические инструменты для науки и бизнеса.
🔐 Криптографический тупик: как алгоритм Шора угрожает мировой безопасности 2:52
Современные протоколы шифрования, такие как RSA, защищающие транзакции в интернет-магазинах вроде Amazon, построены на свойствах простых чисел. Безопасность обеспечивается тем, что классическим суперкомпьютерам потребовались бы миллиарды лет для разложения огромных составных чисел на простые множители. Квантовые компьютеры способны кардинально изменить эту расстановку сил, поскольку они могут проверять колоссальное количество вариантов одновременно.
В основе этой способности лежит алгоритм, разработанный Питером Шором. Райан Баббуш объясняет его суть через призму теории чисел: алгоритм Шора сводит задачу поиска простых множителей к определению периода (повторяющегося паттерна) математической функции. Этот волновой характер позволяет использовать Квантовое преобразование Фурье (QFT), чтобы быстро вычислить период и взломать шифр. Квантовые алгоритмы эффективны там, где есть скрытая структура, позволяющая инженерам создавать интерференцию для усиления правильного ответа.
По оценкам Баббуша, практическая реализация этой угрозы — вопрос долгосрочной перспективы. На сегодняшний день без использования «обходных путей» при компиляции на квантовых компьютерах удалось разложить лишь числа 15 или 25. Квантовые системы плохо справляются с обычной арифметикой, а константы в алгоритме слишком велики, поэтому реальный взлом RSA, по прогнозам спикера, произойдет не ранее чем через 10 лет.
Тем не менее, Баббуш призывает переходить на квантово-безопасное шифрование уже сейчас. Причиной тому служит стратегия злоумышленников и правительств (например, спецслужб, перехватывающих правительственную переписку): они могут сохранять зашифрованные данные уже сегодня, чтобы расшифровать их через годы, когда появятся мощные квантовые компьютеры.
🛡️ Гонка за постквантовую безопасность: шифры Chrome и бонусы от Google 12:58
Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) уже несколько лет проводит масштабный конкурс по созданию постквантовых стандартов шифрования. На данный момент конкурс перешел в четвертый раунд. Динамика отбора алгоритмов выглядела следующим образом:
- В начале конкурса было представлено около 50 алгоритмов.
- К третьему раунду осталось 15 вариантов, из которых три были предложены компанией Google.
- По итогам четвертого раунда выделились лидеры, основанные на решетках (lattice-based schemes).
Баббуш в шутку отмечает, что сотрудники Google могут получить денежный бонус, если им удастся взломать один из алгоритмов-финалистов.
В настоящее время схемы на базе решеток считаются достаточно надежными, и Google уже внедряет их в экспериментальные расширения для браузера Chrome. Однако стабильность этой сферы остается шаткой. По рассказам гостя, недавно авторитетный криптограф опубликовал работу, заявляя о взломе этой системы. Сообществу потребовалось от 3 до 4 недель, чтобы обнаружить ошибку в его расчетах и снять ложную тревогу.
🧪 Квантовая симуляция: исполняя пророчество Ричарда Фейнмана 15:39
Наиболее естественной сферой применения новой технологии является моделирование квантовых систем. Баббуш цитирует знаменитое высказывание физика Ричарда Фейнмана: «Природа не классическая, черт возьми, и если вы хотите моделировать природу, вам лучше использовать квантовый компьютер». При моделировании на классических компьютерах вычислительная сложность растет экспоненциально в зависимости от размера системы (например, количества электронов в молекуле).
Универсальные квантовые алгоритмы симуляции динамики существуют уже более 25 лет. Сегодня они адаптируются под конкретные задачи химии, физики конденсированного состояния и физики высоких энергий. В качестве примера прикладного применения Баббуш приводит совместный проект Google и химического гиганта BASF. Целью сотрудничества стало моделирование катодов для аккумуляторов без использования кобальта, добыча которого этически затруднена и финансово затратна. Толерантный к ошибкам квантовый компьютер сможет просчитывать свойства альтернативных материалов за минуты вместо месяцев реального химического синтеза.
В лабораториях Google эксперименты проводятся на процессорах, содержащих порядка 70 физических кубитов. Этого уже достаточно, чтобы обогнать современные суперкомпьютеры на специализированных бенчмарках. Баббуш прогнозирует, что в течение ближайших 1–2 лет его команда или их коллеги продемонстрируют практически значимые квантовые симуляции, недоступные классическим машинам.
💥 Термоядерный синтез и «тормозная способность» плазмы 21:25
Еще одним ключевым направлением исследований Google является сотрудничество с Сандийскими национальными лабораториями (Sandia National Labs) Министерства энергетики США. Ученые моделируют процессы инерциального управляемого термоядерного синтеза, проходящие на установках National Ignition Facility, которые недавно попали в заголовки новостей благодаря достижению энергетического порога.
Основным источником неопределенности при цифровом моделировании термоядерного взрыва выступает так называемая «тормозная способность» (stopping power). Процесс выглядит следующим образом:
- В результате термоядерного синтеза генерируются заряженные альфа-частицы, летящие в плазму.
- Плазма оказывает на них силу трения (сопротивления), замедляя их движение.
- Выделяющаяся при трении энергия нагревает плазму, провоцируя новые реакции синтеза.
Министерство энергетики США ежегодно тратит сотни миллионов часов процессорного времени (CPU hours) на расчет этой силы трения, используя неточные и приближенные теории. Расчеты на квантовом компьютере позволят получить точные данные значительно быстрее, что поможет оптимизировать условия работы термоядерных реакторов.
🌾 Секрет бактерий: как спасти 2% мировой энергии 25:26
Квантовые вычисления способны кардинально изменить химическую промышленность через поиск новых катализаторов. Моделирование катализаторов на классических компьютерах крайне затруднено, поскольку в переходных металлах содержится огромное количество взаимодействующих электронов.
В качестве классического примера неэффективности человеческих технологий Баббуш приводит процесс Хабера — Боша, используемый для производства удобрений со времен Первой мировой войны. Этот метод требует нагрева водорода и азота до 500°C под давлением в десятки мегапаскалей для разрыва прочной тройной связи азота. На обеспечение этого процесса уходит около 2% всей мировой энергии.
В то же время почвенные бактерии, живущие на корнях бобовых растений, успешно осуществляют фиксацию азота при обычной температуре и атмосферном давлении. За это отвечает фермент нитрогеназа и его железо-молибденовый кофактор (FeMoco). Моделирование структуры FeMoco остается неразрешимой задачей для классических вычислений. Ученые Google надеются, что квантовый компьютер позволит раскрыть этот природный механизм, что даст возможность создать жизнеспособный промышленный катализатор и сэкономить колоссальные энергетические ресурсы планеты.
📉 Алгоритмический прорыв: сокращение сроков с тысячелетий до минут 27:34
Сам по себе теоретический факт «эффективности» (полиномиального масштабирования в зависимости от числа электронов) квантового компьютера еще не гарантирует быстрого решения задач. В 2013 году исследователи из Microsoft опубликовали знаковую работу, где попытались рассчитать ресурсы для моделирования молекулы FeMoco. Выяснилось, что существовавшие тогда алгоритмы требовали масштабирования на уровне $N^{10}$ операций (всего около $10^{20}$ операций), что делало вычисления нереализуемыми даже на квантовом оборудовании.
Эта публикация послужила стартовым сигналом для специалистов по квантовым алгоритмам. За последующие 10 лет исследований Райану Баббушу и его коллегам удалось добиться феноменальных успехов:
- Сложность масштабирования алгоритма была снижена с $N^{10}$ до $N^3$.
- Общее число необходимых операций сократилось до 1 миллиарда.
- Произошло улучшение алгоритмической эффективности на 11 порядков.
Благодаря этому время решения задачи на квантовом компьютере сократилось с тысячелетий до нескольких минут. Баббуш подчеркивает, что такие прорывы требуют не просто абстрактного понимания уравнения Шрёдингера или классической теории компиляции, но и глубоких междисциплинарных знаний на стыке квантовой химии и программирования.
🤖 Квантовое машинное обучение: скрытый потенциал и скептицизм 31:04
Перспективы применения квантовых компьютеров в сфере искусственного интеллекта выглядят многообещающе на теоретическом уровне, поскольку квантовое состояние можно интерпретировать как сложнейшее распределение вероятностей. Параметризируя квантовые цепи аналогично весам в нейронных сетях, можно моделировать данные, недоступные для классических систем.
Тем не менее, Райан Баббуш высказывает определенный скептицизм относительно скорого прорыва в квантовом машинном обучении (QML). В отличие от физики, сфера ИИ исторически развивается не через теоретические расчеты на бумаге, а эмпирическим путем — через пробы, ошибки и подбор параметров на огромных массивах данных. Поскольку текущие квантовые компьютеры слишком малы, а симулировать большие квантовые системы классическим способом невозможно, полноценно протестировать квантовые нейросети на реальных больших датасетах пока нельзя. На сегодняшний день решающее квантовое преимущество доказано лишь на искусственно сконструированных, узких примерах.
🏢 Будущее индустрии: облачные монополии и квантовая эволюция 34:02
Отвечая на вопрос о рисках монополизации столь мощной технологии несколькими технологическими гигантами, Баббуш сравнивает ситуацию с рынком больших языковых моделей и GPU-кластеров. Спикер поясняет, что конечная бизнес-модель Google заключается в предоставлении квантовых мощностей как услуги через облачную платформу Google Cloud.
Рассуждая о долгосрочной эволюции, представитель Google предостерегает от близорукости. Он напоминает исторические примеры ложных прогнозов: фразу президента IBM в 1950-х годах о том, что миру потребуется не более пяти компьютеров, и отчеты агентства McKinsey конца 1990-х годов, предрекавшие провал мобильных телефонов. По прогнозам Баббуша, квантовые компьютеры первых поколений останутся специализированными научными инструментами; никто не будет писать на них электронные письма или встраивать их в смартфоны.
Наиболее перспективным и захватывающим направлением Баббуш считает использование квантовых компьютеров для проектирования новых, более совершенных квантовых компьютеров. Современное развитие систем упирается в проблемы материаловедения, например, в появление дефектов (молекул парамагнитного кислорода или воды) на чипах, разрушающих когерентность кубитов. Квантовые симуляторы помогут изучить эти дефекты. Более того, для создания экзотических топологических квантовых компьютеров на майорановских фермионах, разработкой которых занимается Microsoft, скорее всего, сначала понадобятся классические сверхпроводящие квантовые компьютеры для моделирования физики этих материалов. Возникающая петля обратной связи способна направить развитие технологий в самые неожиданные русла.
