На конференции Ignite Microsoft озвучила свои планы по разработке собственного квантового компьютера и предоставила разработчикам инструменты для экспериментов с этой новой вычислительной парадигмой на уже существующих машинах.

 

Мы пойдем другим путем

Оказалось, что Microsoft идет путем несколько отличным от проторенной дорожки, способным позволить компании быстрей обойти IBM, Google и других конкурентов, которые также уже давно обратили свое внимание на эту сферу. Система, которую создает Microsoft, основана на достижениях в области квантовой топологии, а разработку ее ведет обладатель Филдсовской премии Майкл Фридман, который присоединился к Microsoft Research в 1997 году.

 

Что такое квантовая топология?

Топология позволяет существенно повысить точность передачи информации, уверены разработчики, а точнее — «в тысячу или десять тысяч раз». Компания использовала теорию Фридмана для реализации системы исправления ошибок, которая так важна для квантовых вычислений на физическом уровне. При любой квантовой передаче данных всегда нужно учитывать некоторый «шум», который может нарушить состояние системы и создать ошибки.

 

Квантовая бизнес-модель

Команда лаборатории квантовых вычислений Microsoft в Санта-Барбаре выросла в три раза по сравнению с прошлым годом и у нее уже есть четко сформулированная задача — создать коммерческий квантовый компьютер. Будет ли Microsoft заниматься продажами устройства или обеспечивать доступ к ним через Azure, пока неясно. Вероятно, самым естественным местом для квантового компьютера все же будет «облако». В конце концов, каждому квантовому компьютеру также нужен «обычный» компьютер для управления им, и в центре обработки данных можно будет подключать квантовый компьютер в качестве вспомогательного «процессора» к обычной машине.

 

Квантовый язык программирования

На конференции Microsoft показала симулятор такого компьютера, а также представила новый язык программирования для написания квантовых приложений. Язык программирования использует ключевые понятия C#, F#, Python и других языков, но с добавлением новых функций квантового компьютера. Симулятор позволит разработчикам выяснить, действительно ли их алгоритмы осуществимы и могут выполняться на квантовом компьютере.

Все эти программные средства будут доступны к концу года, но пока только с закрытым исходным кодом, пишет Tech Crunch.

В 15 лет Алексей Федоров поступил в Бауманку, в 18 — собрал квантовую лабораторию, а в 20 лет ударился в фитнес и скинул 43 кг. Теперь он работает над системой, которая сломает жизнь хакерам. Украсть email, пин-код банковской карты или другие данные будет невозможно. Репортер узнал у Федорова, как совместить науку и спорт и зачем Россия ввязалась в квантовую гонку.

Квантовый компьютер украдет любые данные

Улыбка помогает объяснять пугающие вещи. Алексей Федоров знает этот секрет. Он вообще подходит для расшифровки сложного. Будто с него рисовали Джимми Нейтрона, мальчишку из научно-популярного мультика. Невысокий, с широкой улыбкой и вьющимися волосами.

«Почему квантовая физика – это будущее? Однажды она уже изменила нашу жизнь, — чеканит Федоров. — Лазеры или транзисторы применяются везде — от IT до медицины, и это квантовые устройства. Сейчас без них никуда. Квантовая физика парадоксальна, и иногда это можно использовать.

Самый простой пример — компьютеры. Их производительность растет, но есть предел. Вряд ли появится транзистор размером с один атом. Даже если появится, не со всеми задачами справится.

"Квантовый компьютер быстрее классического. Для него минутное дело обойти современную систему защиты и украсть какой-нибудь пин-код." - Алексей Федоров, физик-теоретик.

В основе квантового компьютера лежит параллелизм. Информацию в обычном компьютере несут биты — это нули и единицы. Квантовые биты одновременно находятся в суперпозиции нуля и единицы. Это дает огромное преимущество в скорости при решении задач. И позволяет проходить шифрование».

Федоров успокаивает, что квантовая физика создала не только способ взлома. Над способом защиты от этого «суперкомпьютера» физик работает в Российском Квантовом центре. Здесь он в 18 лет вместе с командой создал квантовую лабораторию. Таких в мире около десятка.

«Квантовая криптография — гарантия абсолютной защиты, — уверяет Федоров. — Клод Шеннон, создатель теории информации, поделил системы защиты на два класса. Практически стойкие, когда у злоумышленника на обход защиты нет нужных ресурсов. И абсолютно стойкие, которые не обойти. Это про квантовую криптографию».

"Современная защита падает без боя перед квантовым компьютером из-за принципа факторизации — это разложение чисел на простые множители"

Обычный компьютер годами будет раскладывать на исходные множители крупное число, которое получилось в результате перемножения простых. Пока переберешь все варианты, секрет станет неактуальным.

Алгоритм факторизации использовали для шифрования. Им защищают более-менее все в интернете: электронную почту, банковские операции, даже сайты шифруются с помощью протокола https. Для взлома нужна мощная техника... или можно пароль своровать физически.

Квантовый компьютер щелкает такие «замки» как ломом. Не нужно быть хакером, чтобы прочесть переписку Хиллари Клинтон или украсть пароль банковской карты.

Система абсолютной защиты – квантовая криптография

Квантовая криптография обещает интернет без взломов. Потерять деньги, профиль в соцсети или письма человек сможет по глупости или невнимательности, если злоумышленники узнают пароли. Потенциал технологии оценили в «Газпромбанке» и Минобразования и науки, и сообща вложили в проект более 450 млн рублей.

Федоров объясняет принцип: «Лазер испускает фотоны, и есть приемник. Он кодирует информацию в квантовые состояния. Можно врезаться в оптоволоконный кабель и считывать данные, но злоумышленника заметят. Он нарушит фундаментальные основы квантовой физики. Нельзя остаться незамеченным, потому что квантовые состояния очень хрупкие».

Из-за этого затянулось создание квантового компьютера. Квантовые частицы видны только на микроскопическом уровне. Зато они реагируют на малейшее изменение среды. Федоров уверен, можно устроить революцию в медицине. Если использовать квантовые частицы в сенсорах, они будут реагировать на малейшие изменения, например, температуры. Томограф сумеет исследовать не мозг, а его отдельные нейроны.

Квантовая криптография сразу приглянулась коммерческому сектору.

«Государство у нас будет главным потребителем, а бизнес — драйвером, — прогнозирует Федоров. — Вместе они смогут родить что-то революционное».

"Раньше были космическая гонка государств. Сейчас квантово-технологическая – между компаниями." - Алексей Федоров, физик-теоретик.
Пока особенно вкладывается деньгами финансовый сектор. Усердствуют швейцарские банки. Китайская сеть квантовой криптографии объединяет банки и компанию AliBaba. В России только за половину 2016 года с банковских карт украли 270 млн рублей.

Физики борются со штампами об ученых

По иронии судьбы Российский Квантовый центр образовался в офисном здании на территории «Сколково». Прежде тут работали стартапы, теперь Центр соседствует с Российской экономической школой.

Стереотипы прилипают к любой профессии. В Квантовом центре старательно вычищают штампы об ученых. Образ неопрятного старца в белом халате, который «чихает» в запыленной лаборатории на спорт и личную жизнь, запрещен.

"Давай вот без халата. – Алексей Федоров скрещивает руки. – Надо разрушать этот миф: ученый – так сразу в халате." - Алексей Федоров, физик-теоретик.

Мы стоим возле лаборатории, я киваю на вешалку с белыми халатами в прозрачных чехлах. Федоров меня поправляет: «Это рубашки для официальных мероприятий. Ходит у нас один парень в халате. Купил черный халат в H&M, носит джоггеры Zara и кроссовки Greats».

Сам Федоров в рубашке и худи Gap с капюшоном, но это до вечера. После работы он идет в соседнее здание в форме шайбы. Там переодевается в шорты, кроссовки и футболку с забавным принтом. На одной написано: «До сих пор эмси». Это трек популярного рэпера Oxxxymiron. После научной работы Федоров час «пашет» на тренажерах.

В 20 лет он весил под 110 кг. Маленький рост, одуванчик кудрей и овальные очки. Как он шаркал тапочками, в Квантовом центре вспоминают до сих пор.

«Одни физики гордятся, что о них написал журнал Nature, а я попал в Men's Health. Хотя качок я пока только в квантовой физике, — смеется Алексей и показывает пропуск со старой фотографией. — Только пришел я работать сюда, коллеги спросили, каким видом спорта занимаюсь. Причем серьезно интересовались, не стебали. Ну я помялся: 'Никаким'. Они удивились: 'После работы — в зал! Никак иначе'».

"Федоров встал на беговую дорожку в первый раз и рухнул с одышкой через полминуты."

На сжигание 43 кило ушло восемь месяцев. Ученый подошел к проблеме профессионально. Нашел в интернете план тренировок, диету и стал ботанить на тренажерах.

Алексей Федоров «ударился в науку» довольно поздно. Учился он в типичной школе № 24 в Люберцах. Дети без «сменки», «пицца» с сосисками по 15 рублей и учительницы, напуганные ЕГЭ. Научный кружок еле дышал. Причем родители Алексея всю жизнь в преподавании, брат учился в МГТУ им. Баумана. Федоров попал туда, когда участвовал в программе «Шаг в будущее». Сделал научный проект и в голове щелкнуло.

Федоров объясняет, что удариться в науку никогда не поздно: «Наука в школе должна быть аккуратной. Перед тем как вовлекать детей в научную деятельность, надо объяснить им, что это такое. Преподаватели занимаются научной работой, учителя — нет. Они могут транслировать неправильные идеи».

YouTube мотивирует стать ученым

Жизнь подростка перевернул YouTube. Однажды Алексей шастал по научно-популярным каналам и наткнулся на видео о квантовой физике. Ролик был в стиле «Макдональдсы — это тайные бомбоубежища», бросался в зрителя устрашающими мыслями и путал алогичностью.

«Ух, что там было! — смеется Федоров. — Рассказывали, что с наукой в России беда, зато у нас сохранился квантовый бэкграунд. Если все перезапустить, станем лидерами в этой области! Сказали, что в мире создаются Квантовые центры, и теперь он создается и в России».

Алексей тут же нашел сайт Российского Квантового центра, там звали на стажировку. Загвоздка в том, что Федоров учился в МГТУ на инженерной специальности, а искали физиков. 16-летний первокурсник не унимался и достучался до Александра Львовского.

Один из самых именитых в мире квантовых физиков, профессор университета Калгари как раз вернулся в Россию создавать Квантовый центр. Львовский удивился рвению парня.

"Федоров закидывал профессора письмами: «Скажите, что надо выучить, и я выучу!»."

Объяснял, что больше физик, чем инженер. Да и вообще 16 лет, если надо, это возможность взять год на обучение.

Львовский понимал, что работать в лаборатории Федорову еще рано. Переписка и обмен опытом затянулись на год. Потом Львовский позвал студента на стажировку в университет Калгари. Федоров был почти шпионом, хотя сам об этом не подозревал.

В зарубежной науке нет бюрократии

Аллергия на стереотипы об ученых впервые проявилась в Калгари. Федоров работал «по-гражданке», без халата. В первый день подошел к коллеге и спросил, во сколько все уходят домой. Вдруг опять что-то необычное, как с халатами.

«Тот ответил: 'Уходить принято, когда работа сделана', — вспоминает Федоров. — Мы встречались в 7 утра, и очень часто он уходил позже меня».

"Приятно удивило, с какой энергией люди работают, если у них есть цель. В России у многих будто щелкал тумблер: «Вот теперь 'рабочее время'!»" - Алексей Федоров, физик-теоретик.

Федоров в 18 лет трудился по-взрослому. Занимался наукой, покупал комплектующие и впитывал принципы работы. Научная команда проводила семинары, group-meeting, где у каждого был доклад, на journal club рассказывали о статьях в научных журналах.

Еще из Канады он привез привычку использовать англицизмы и кленовый сироп. Много сиропа.

«Меня поселили в Калгари с русским соседом-айтишником, — вспоминает Федоров. — Он посоветовал мне вафли с кленовым сиропом. Такие вкусные, что я позвонил родителям! А папа всегда ищет интересные факты. Он сказал, что этот сироп очень полезный — много цинка. Так сразу партия увеличилась. Ну и друзья говорили: 'О, ты в Канаде?! Привези сироп!'».

Абсолютная защита заработает к 2022 году

В московском Квантовом центре тем временем собирали кадры и прикидывали стратегию. У Александра Львовского были особые планы на Федорова. Он поручил 18-летнему студенту взять лучшее от квантовой лаборатории в Калгари и сделать круче. «Сколково» выделил грант на закупку приборов. Что-то Федорову и другим ученым пришлось мастерить самостоятельно. Напрягали память о занятиях черчением в Бауманке. Лабораторию построили за восемь месяцев. Уже летом 2013 года прошел дебютный эксперимент.

"Неофициальный слоган Российского Квантового центра – «Работай так, чтобы на еду не оставалось времени»."

Первую линию защищенной связи для «Газпромбанка» физики сделали за год. В мае прошлого года связали два здания в Москве линией квантовой связи в 30 км длиной. Квантовой криптографией заинтересовался «Сбербанк». Федоров говорит, что массовое внедрение систем защиты начнется через пять-семь лет.

Помимо форсирования запуска технологии есть более прозаические задачи.

«У нас в фитнес-группе флешмоб — отказываемся от сладкого. Держусь уже две недели, — гордится Федоров. — И история про сладкое, которое нужно для работы мозга, видимо, ложь. Чувствую себя отлично! Фруктов хватает, тортики не нужны».

Для занятий с учеными и сотрудниками в фитнес-зал специально приезжает тренер. Раньше технологии, которые меняли жизнь, рождались в полусекретных лабораториях. Теперь ученые прикидывают, как внедрить квантовую криптографию, пока жмут штангу от груди.

 

Компактный квантовый компьютер, который можно перепрограммировать, создали специалисты Мэрилендского университета в Колледж-Парке (США). Изменять программу его работы можно, не перестраивая саму систему на аппаратном уровне, пишет Nature.

Структура компьютера

Инновационный квантовый компьютер состоит из пяти кубитов. Они являются одновременно и ячейками памяти, и вычислительными элементами. Кубиты управляются лазером и захвачены с применением ионной ловушки.

Ученые продемонстрировали, что компьютер способен выполнять различные квантовые алгоритмы. Для перехода от одного алгоритма к другому не нужно вносить изменения в конструкцию системы. 

Точность вычислений достигает 98% - для современных квантовых компьютеров это очень высокий показатель.

 

Разработчики утверждают, что в будущем этот квантовый компьютер можно будет масштабировать – к примеру, подключить к существующей системе аналогичную. Это позволит решать более сложные задачи, на выполнение которых обычным компьютерам потребовалось бы несколько месяцев или лет.