Держите квантовые вычисления глобальными и открытыми
Гонка за деньгами истощает университеты талантов, разрушая поле и закрывая пути для расследования, предупреждают Джейкоб Д. Бьямонте, Павел Дорожкин и Игорь Зачаров.
Всего за несколько лет область квантовых вычислений быстро перешла от академической закулисы к предмету, представляющему огромный общественный и частный интерес. Конечная цель «универсального» квантового компьютера - способного выполнять любые вычисления, исправляя шум, неисправности и сбои, - остается на десятилетия вперед. Но миллиарды долларов тратятся на коммерциализацию первых фруктов 1 .
Американская технологическая компания IBM и канадская фирма D-Wave Systems уже продают доступ к квантовым калькуляторам. Google, Microsoft и Intel планируют сделать это через три-пять лет. Эти ранние устройства должны выполнять определенные задачи быстрее, чем обычный компьютер. Однако они менее универсальны и менее мощны, чем универсальный квантовый компьютер, и по-прежнему подвержены ошибкам и помехам. Такие области, как машинное обучение и оптимизация, могут принести пользу - если технические проблемы могут быть преодолены 2 , 3 .
Но гонка за наживой разрушает поле. Компании спешат создавать большие команды исследователей, истощая университеты талантов 4 , 5 . Сотни стартапов запатентовывают продукты исследований, финансируемых государством, закрывая пути для исследований.
Государственное финансирование для квантовых вычислений также находится на подъеме. Но это неравномерно и перекос в сторону оборудования. Североамериканские институты доминируют и ведут поле в подходящих для них направлениях. Например, они сфокусированы на сверхпроводниковых технологиях. Исследователям, которым не хватает огромных лабораторий и инфраструктуры, трудно конкурировать. Геополитические стены также растут, поскольку национальная безопасность и коммерческие интересы нагреваются.
Все это происходит в решающий момент. Закон Мура, согласно которому число транзисторов в микросхемах микросхем удваивается примерно каждые два года, останавливается. А машинное обучение открывает свои двери для совершенно новых отраслей. Мы не можем десятилетиями ждать «квантового преимущества»: точки, в которой квантовый процессор решает проблему, которую не может решить ни один из существующих классических компьютеров. Это контрастирует с другими областями, такими как биотехнология, в которой революционная техника редактирования генов CRISPR появилась спустя 20 лет после того, как область, казалось, достигла своего пика в 1990-х годах.
Мы призываем академических и промышленных ученых разрабатывать квантовые приложения в открытом научном духе. Фундаментальные исследования не должны проводиться изолированно или под контролем политических программ. Эти огромные инвестиции и вытекающие из них устройства должны служить всему человечеству, как и сама наука.
Глобальное квантовое состояние
Большинство концепций, лежащих в основе квантовых компьютеров, основаны на исследованиях, финансируемых государством. Теперь, когда квантовые вычисления потенциально ценны, многие правительства наращивают поддержку.
Горстка стран - США, Великобритания, Япония, Швеция, Сингапур, Канада и Китай - лидируют. Каждый из них выделил от 100 до 300 миллионов долларов США в год на исследования в области квантовых вычислений в 2017 году; общий объем государственных и частных инвестиций Соединенного Королевства с 2014 года в настоящее время превышает 1 млрд. долл. США. В 2018 году Соединенные Штаты и Европейский Союз запустили "бегемотов на миллиард долларов": пятилетнюю Национальную инициативу США по кванту и десятилетнюю флагманскую программу ЕС по квантовым технологиям. Китай намерен открыть крупнейшую в мире лабораторию квантовых исследований в 2020 году стоимостью 10 миллиардов долларов.
Другие страны следуют примеру. Индия и Южная Корея намерены инвестировать десятки миллионов долларов США в год. А Россия включает квантовые технологии в десятку своих национальных технологических инициатив. Здесь создается ряд ведущих центров для координации частных и государственных исследований и разработок. Крупные проекты должны получить до 300 миллионов долларов на первом этапе.
Но многие результаты, вытекающие из всех этих инвестиций, отбрасываются. Корпоративные интересы и охлаждение международного политического климата затрудняют сотрудничество ученых и обмен знаниями 6 , 7 . Закрытие областей приводит к бессмысленной репликации и потере времени на поиск тупиков.
Например, влияние квантовых вычислений на национальную безопасность было подчеркнуто в отчете Национальной академии наук США 8 за 2019 год , спонсором которого является офис директора национальной разведки. Ученые, финансируемые Министерством энергетики США, в настоящее время сталкиваются с запретом на сотрудничество с исследователями из примерно 30 стран, включая Китай и Россию 6 .
Такие тени влияют на наши исследования в Московском научно-техническом институте «Сколково» - англоязычном университете перспективных исследований, который был основан в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом в Кембридже. Мы решили работать в Сколтехе из-за его международной атмосферы и атмосферы сотрудничества. Возьмите наше происхождение: JDB - американский, PD - русский, а IZ - гражданин Нидерландов русского происхождения. Хотя наши близкие сотрудники продолжают взаимодействовать с нами, старые соглашения об исследованиях между Россией и ЕС теряют силу, не обсуждая вопрос о продлении. Партнерство между участниками квантового флагмана ЕС и учеными в США, России или Китае теперь требует специальных переговоров.
Пробелы в исследованиях
Квантовая технология рискует стать еще одной гонкой «Moonshot», в которой победитель получает все. Северная Америка создала непреодолимое лидерство в квантовом оборудовании. Такие компании, как Google в Калифорнии и D-Wave в Канаде, по-прежнему предоставляют доступ к своим машинам без границ - но только через облако. Никто не ожидает трогать процессоры.
Европейские политики опасаются, что они пропустили технологическую лодку. В регионе есть только один крупный производитель компьютерного оборудования (французская компания Atos / Bull) с программой по квантовым технологиям. Квантовый флагман ЕС содействует разработке аппаратного обеспечения, аналогичного тому, который создается в Соединенных Штатах, и изучает некоторые подходы, которые не были широко изучены усилиями США. Но Комиссия ЕС не смогла выделить много средств на квантовые приложения или исследования алгоритмов в первом раунде - это, на наш взгляд, серьезное упущение. Те, кто стоял за ведущими усилиями, указали, что они будут инвестировать больше в квантовое программное обеспечение в последующих раундах финансирования.
Многие исследователи надеются, что компании заполнят пробел в приложениях. Но предприятия мало заинтересованы в рассмотрении базовой теории квантовой обработки информации, и они часто работают в изоляции. Это означает, что распространение стартапов и коммерциализация квантового программного обеспечения на этом раннем этапе может помешать развитию теоретических методов и инструментов квантового программного обеспечения.
Устаревшие соглашения и предположения также сдерживают ситуацию. Диапазон применения квантово-усовершенствованных технологий ограничен и не был намечен. Даже известные применения, такие как преимущества машинного обучения, плохо изучены. Устройства могут не обеспечивать ожидаемые улучшения. Алгоритмы учебников (такие как алгоритм квантового факторинга Шора или алгоритм поиска Гровера), похоже, не работают на неидеальных машинах без исправления ошибок. Могут ли программисты написать лучшие коды, которые могут работать на реалистичных устройствах, подверженных шуму?
Что дальше?
Академические исследователи должны более полно отобразить пространство концепций и приложений квантовых вычислений. Это плодотворный момент для решения сложных проблем, которые отрасль и стартапы не смогут решить. Как далеко эти устройства могут толкаться при наличии шума? Остановятся ли некоторые события, что приведет к прекращению инвестиций?
Правительства должны направить больше средств на квантовое программное обеспечение. Эксперименталисты рады предоставить огромные суммы денег для создания квантового процессора, который может привести к Нобелевской премии. Квантовые программисты должны точно так же уверенно заявить о своих главных проблемах. Спонсорам тоже нужно понимать, что это длинная игра, требующая разных подходов. Даже когда аппаратное обеспечение масштабируется, мы все еще не уверены, что с ним делать.
Промышленность, особенно начинающие фирмы, должны более тесно сотрудничать с университетами. Компании могут финансировать небольшие теоретические проекты и вкладывать средства в разработку основ этой области.
И международное сотрудничество должно быть защищено. Правительства должны прилагать больше усилий для сохранения научных соглашений, несмотря на политические разногласия. Ученые и спонсоры должны уважать тот факт, что исследования действительно глобальные, международные и открытые. Исследователи перемещаются по всему миру. Есть много случайных факторов за работы, которые мы в конечном итоге. Разрыв отношений не в чьих-либо интересах только потому, что один человек пересекает границу.
Квантовые процессоры среднего размера появятся в ближайшее время (хотя они все еще будут шумными). Будет ли готово квантовое программное обеспечение? Или компании пнут себя за неспособность инвестировать в алгоритмы и идеи, которые будут управлять устройствами?