Дмитрий Сапаев, СберТех: квантовый компьютер сможет смайнить биткойн за две секунды

Дмитрий Сапаев прошел путь от программиста до руководителя подразделения Сбертеха в Иннополисе. Работал в Университете Иннополис старшим преподавателем в центре повышения квалификации, сейчас отвечает за развитие сотрудничества с УИ. С конца 2016 года по настоящее время он работает в Сбертехе в Центре технологических инноваций. За это время Дмитрий Сапаев провел множество исследований в области технологии блокчейн и квантовых вычислений. Были опубликованы научные статьи в архиве Корнеллского университета (arxiv.org), также он пишет для блога Сбербанка на Habr. Выступает в «Сколково», ИТМО, IBM, а также на международных конференциях по квантовым технологиям в Artificial Intelligence и дискретным моделям в теории управляющих систем от МГУ. Весной 2018 года, в дополнение к исследовательской деятельности, Дмитрий назначен руководителем регионального офиса Сбербанк-Технологий в городе Иннополис.

Для более полного понимания интервью с Дмитрием Сапаевым «Хайтек» рекомендует прочесть перевод статьи Scientific American «Человек и квантовая теория: существует ли то, что мы не наблюдаем» об основах квантовой физики и экспериментах, доказывающих и опровергающих существующие в ней постулаты.

Пока квантовые компьютеры справляются хуже классических

— Когда Сбербанк начал заниматься квантовыми вычислениями?

— В апреле 2017 года, в форме пилота. Мы хотели «пощупать» технологию. На каком этапе квантовые вычисления сейчас есть, как они могут помочь банку — в этом ключе. И начали копать в этой сфере. Пока в Сбертехе я один занимаюсь этой исследовательской работой. На данном этапе эта тема не особо распространена в IT в прикладных задачах в силу молодости технологии

— Потому что квантовые компьютеры еще не так развиты?

— Да, потому что мощности квантовых компьютеров на данный момент не позволяют решать прикладные задачи более успешно, чем классический компьютер. Хотя очевидно, что это появится на горизонте пяти-семи лет, но на данный момент такого нет.

— То есть вы изучаете, что сможете сделать в будущем?

— Да, мы строим прототипы, обкатываем их на очень мелких задачах, которые, в принципе, под силу и классическим компьютерам. Но строим их таким образом, чтобы они были масштабируемы. Чтобы при появлении квантовых вычислителей соответствующей мощности мы уже могли бы масштабировать эту систему — и получить реальные преимущества.

«В нашем мире футбольный мяч не может влететь сразу в двое ворот»

— Расскажите в целом про квантовую механику. Даже если взять банальный пример кота Шредингера — как объект может находиться одновременно в двух состояниях, почему квантовая суперпозиция существует?

— Парадокс кота Шредингера показывает несовместимость двух миров. Макромира, в котором мы живем, и микромира с объектами уровня квантов. Квантовые объекты — фотоны, электроны, очень мелкие объекты. И если мы говорим про ньютоновскую физику, как ее принято называть, то тут местоположение объекта, скорость и все остальные характеристики легко измеримы и интуитивно понятны. Если мы спускаемся на уровень частиц, то такого нет.

Еще в прошлом веке были проведены физические эксперименты, когда единичный фотон пускали в пластину, в которой были две щели. Мы знаем, что если пустить туда пучок света, то возникнет интерференция — и мы увидим интерференционную картинку. Так вот, если пустить даже один фотон, он интерферирует сам с собой и показывает такую картинку. То есть он одновременно проходит через две щели. И это возможно, если мы не измеряем этот фотон перед тем, как он приближается к щелям. Если мы его измерим, произойдет так называемый коллапс. Система коллапсирует в одно из своих базисных состояний. И парадокс кота Шредингера показывает неприменимость законов квантового мира на наш. То есть не может быть кот одновременно и мертв, и жив.

— Но наш мир состоит из этих фотонов, электронов и других квантовых частиц?

— Он состоит. Но все исследования, эксперименты, которые были проведены, — они были проведены в условиях максимальной изоляции этой квантовой частицы. То есть она изолируется от любого воздействия других частиц, от других волн, от всего. И тогда она показывает себя с этой — очень красивой — стороны. Как только что-то другое начинает воздействовать на нее — все, волшебство прекращается. Ведь что такое измерения? Это вы подействовали на частицу и посмотрели ее состояние.

«Квантового компьютера в ближайшее время не будет ни у кого»

— Что же из себя представляют квантовые компьютеры?

— Квантовые компьютеры, которые сейчас есть, — это огромные криостаты, где в самом конце матрешки поддерживается близкая к абсолютному нулю температура. Чтобы никакие волны не действовали на кубиты, которые там реализованы, и чтобы не было этого коллапса. Это очень сложные машины, потому что добиться абсолютной изоляции в течение длительного времени не получается даже сейчас. Они могут сохранять состояние в течение микросекунд, миллисекунд. Но на секунду еще пока не вышли. Есть другие технологии, в кристаллах — там вроде бы вышли на какие-то микросекунды, может даже на одну-две секунды. Но все равно — это такое мизерное количество времени.

— Что нужно, чтобы выйти на секунды?

— Это надо у физиков спросить. Все квантовые технологии делятся на hardware и software, как и в случае с классическим программированием. Hardware — это все, что относится к железу — процессорам, GPU и так далее. Мы этим не занимаемся, этим занимаются физики. Мы больше в своей работе касались именно software.

Все квантовые вычисления базируются на математике — и математическому фундаменту абсолютно все равно, как будет реализована квантовая машина. На каких конкретно частицах, их свойствах это будет реализовано — не важно, математика везде одинаковая. Вот на этой математике можно построить некий процесс вычислений.

© Фото: Антон Карлинер / «Хайтек»

Точно так же, как на булевой алгебре строится все современное программирование, где есть определенные преобразования — «НЕ», «И», «ИЛИ». Здесь есть такие же преобразования, но над кубитами, и они точно так же ложатся в математическую модель. И остается только дождаться, когда физики изобретут достаточно стабильный вычислитель, который бы позволял выполнять долгий алгоритм.

Алгебра логики (булева алгебра) — раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними. Алгебра логики позволяет закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.

Булева алгебра названа по имени великого английского математика Джорджа Буля, который в 1854 году опубликовал ставшую впоследствии знаменитой книгу «Исследование законов мышления». Другие математики и логики, в том числе Джон Венн и Эрнст Шредер, впоследствии значительно усовершенствовали и расширили алгебру Буля.

— В какой-то момент вы будете использовать квантовые вычисления для своих операций. Собираетесь использовать облачные вычисления, свой квантовый компьютер вам не нужен?

— Своего квантового компьютера в ближайшее время не будет, наверное, ни у кого.

— Он сейчас есть у некоторых корпораций в Америке.

— Да, но зачем покупать квантовый компьютер отдельно. Очень дорого и трудоемко его обслуживать. Куда проще обратиться к облачным вычислениям.

Нужно понимать, что такое квантовый компьютер — и что такое классический компьютер. Квантовые вычислители всегда будут, скажем так, сопроцессорами к классическим. Сейчас никто не думает о том, что квантовые компьютеры придут на замену классическим. Это невозможно. Если вы, например, пишите какой-нибудь веб-сайт, интернет-магазин или компьютерную игру, вы не будете ее писать на квантовом компьютере. У вас есть для этого классический, он отлично справляется с этими задачами, — а квантовый создан для другого. В тех задачах, которые не под силу уже существующим классическим компьютерам — там вступят в дело квантовые. Управление на время передадут квантовому вычислителю, он высчитает и решит те задачи, которые не под силу классическому, и отдаст ему ответ. Ради этого городить огород с собственным большим компьютером смысла нет.

Здесь как раз очень хорошо применяется облачная архитектура: когда есть облако, большой сопроцессор, и все желающие к нему обращаются, чтобы он решил какую-то маленькую подзадачу.

Задачи оптимизации — вызов для квантового компьютера

— Квантовые компьютеры начали развиваться, потому что появился предел развития обычных и закон Мура перестал работать, — или почему?

— Потому что перед человечеством встают все более интересные и сложные задачи. Сначала мы программировали достаточно легкие вещи, а сейчас хотим автоматизировать все более и более сложные — и некоторые из них находятся в классе задач NP (неполимиальное время решения — «Хайтек»). Те, которые невозможно решить на классическом. Например, задачи оптимизации — все чаще и чаще они встают. Их уже нельзя игнорировать. Еще в XX веке стало понятно, что квантовый компьютер с этим справится без проблем.

— Вы сказали, что мы не будем, условно, писать сайты на квантовых компьютерах. Но что с ними дальше будет? Естественно, они будут развиваться, становиться дешевле, компактнее. Но как персональный компьютер, как смартфон? Они не появятся?

— Они, возможно, станут их частью. Если нам удастся при комнатных температурах добиться стабильного состояния кубитов, то почему бы не сделать их сопроцессорами в том же телефоне? И сделать мобильное приложение, которое выполняет аналитику огромного количества данных за считанные наносекунды. Это помогло бы многим в бизнесе, когда аналитика необходима здесь и сейчас.

© Фото: Антон Карлинер / «Хайтек»

Есть классические алгоритмы, которые решают похожие задачи комбинаторики, ту же задачу коммивояжера. Но с ростом размерности задачи становится невозможным найти точный ответ — именно в классическом компьютере. И чем больше размерность, тем больше погрешность. Сейчас бизнес пока устраивает быстрое решение задачи с определенной погрешностью, плюс-минус 5% к правильному ответу, например.

Квантовый компьютер может это сделать точно — и сделает это мгновенно. Несмотря на то, что квантовые вычисления являются вероятностными, мы всегда получаем какое-то из базисных состояний с какой-то определенной вероятностью. Но при большой размерности и при определенных манипуляциях мы можем сделать так, что эта вероятность будет практически стремиться к единице, и получить верный ответ.

Задача коммивояжера (англ. Travelling salesman problem, TSP) — одна из самых известных и важных задач транспортной логистики (и класса задач оптимизации в целом). Также известна под названием «Задача о бродячем торговце». Суть задачи сводится к поиску оптимального, то есть кратчайшего пути, проходящего через некие пункты по одному разу. Мерами выгодности маршрута будут минимальное время, проведенное в пути, минимальные расходы на дорогу или, в простейшем случае, минимальная длина пути. Кто и когда впервые начал исследовать задачу коммивояжера, неизвестно, но одним из первых предложил решение подобной проблемы выдающийся математик XIX века — Уильям Гамильтон.

— Это возможно, если квантовые компьютеры смогут работать при комнатной температуре. Уменьшение температуры возможно, если сейчас даже нулевой температуры по шкале Кельвина иногда не хватает для обеспечения нормальной работы?

— Дело в технологии. Та технология, которая сейчас применяется в IBM, Superconducting Qubit, основана на сверхпроводимости материалов. На данный момент физики получают сверхпроводимость только при охлаждении почти до абсолютного нуля. Если у них получится, например, это сделать при комнатной температуре, — то почему нет? Если у них получится работать с другими квантовыми частицами, не используя эффекты сверхпроводимости, — почему нет? Это все — дело будущего, я надеюсь, что это у них получится достаточно быстро.

Неплохо иметь свой квантовый компьютер как гарант безопасности

— Как сейчас обстоят дела с созданием квантового компьютера в России?

— Есть несколько экспертных групп, они находятся в разных университетах. Этим занимаются МИСиС, МГУ. Кто-то повторяет технологию Superconducting Qubits, кто-то пытается сделать на своих технологиях. Про «железо» я затрудняюсь что-то конкретное сказать. Но знаю, что еще есть технология квантовой передачи ключа — защищенной передачи на физическом уровне, — ей тоже много кто занимается. В частности, в России этим занимаются Казанский квантовый центр и РКЦ — Российский квантовый центр. У них тоже есть свои достижения. Про Казанский скажу, что он котируется на международном уровне.

— Герман Греф говорил, что технология квантовых вычислений «конечно, должна быть национализирована у нас». Вы согласны с этим или думаете, что хватит доступа к облачным вычислениям?

— Тут дело в том, что если у нас есть какое-то облако, к которому мы обращаемся и шлем ему свои данные, то это в какой-то степени может позволить управлять нами. Те же самые санкции, например, могут отключить нам это облако. И какие-то наши сервисы перестанут работать. Я думаю, здесь был разговор — о том, чтобы обезопасить себя. Чтобы не посылать туда персональные данные и быть защищенным от выключения от облака, неплохо было бы иметь и свой квантовый компьютер.

Сейчас есть смысл разрабатывать свои алгоритмы, адаптировать свое ПО к появлению квантовых компьютеров. Но покупать их нет никакого смысла, потому что прикладных задач сейчас выполнить на них невозможно. На данный момент они стоят таких больших денег и так быстро апгрейдятся. И причем их нельзя апгрейдить, как классический компьютер: взял, переставил процессор, и все. Здесь надо будет выкидывать старый компьютер и ставить новый.

— Станет ли наличие квантового компьютера чем-то вроде нового ядерного оружия для стран, или все же нет?

— Если смотреть с точки зрения безопасности, то говорят, что после появления квантового компьютера все шифры будут взломаны. Но это немного не так. Квантовый компьютер определенной мощности может взломать существующее шифрование. Но есть так называемая постквантовая криптография, которая уже повсеместно внедряется, и она стойка к появлению — ближайшему — этих квантовых компьютеров. Можно, например, в два раза нарастить ключ, и будет понятно, что в ближайшие десять лет не появится квантовый компьютер, который его взломает.

© Фото: Антон Карлинер / «Хайтек»

Но это будет гонка брони и снаряда. И в этом случае лучше, конечно, переходить на квантовые методы шифрования и квантовые методы защиты информации. Разрабатываются различные вариации квантового хэширования, квантовой цифровой подписи. Там уже сам факт невскрываемости лежит не в основе сложности какой-нибудь математической задачи, а в основе законов физики, которые невозможно взломать. Какие-то математические задачи, на которые сейчас опирается защита информации, взломать можно, нарастив мощности квантового компьютера. А вот сломать законы квантовой физики невозможно, как ты не наращивай эти мощности. Поэтому я думаю, что сначала произойдет переход к постквантовой криптографии, а затем просто к квантовой защите информации. И тут уже наличие квантового компьютера не поможет.

Квантовый блокчейн и будущее криптовалют

— В каких областях вы в Сбербанке исследуете это и какие перспективы применения квантовых компьютеров в будущем видите, например, для банковской индустрии?

— Мы начали с разработки прототипа квантового блокчейна. Он был также разработан в РКЦ, но там немного другой подход. Он был реализован на том, что есть множество участников сети блокчейн, связь между ними осуществлялась по квантово-защищенным каналам. В нашем же случае мы взяли классический биткоин со своим протоколом proof-of-work и реализовали квантовый поиск поля Nonce для того, чтобы смайнить новый блок. За счет квантового параллелизма удалось достичь квадратичного прироста скорости.

Одному персональному компьютеру для майнинга нового блока в биткойне нужно примерно 460–470 дней. Это мы сейчас наблюдаем в сети биткойн, когда весь мир майнит новый блок примерно десять минут. Это примерно то же самое, что один компьютер майнил бы полтора года. Мы замеряли, если расширить наш прототип на существующую сеть биткойн — если появится квантовый вычислитель соответствующей мощности, — то квантовому вычислителю будет достаточно двух секунд. Причем для квантового вычислителя не важна была бы сложность. Добавление нулей впереди хэша в квантовом случае гораздо легче бы проходило, то есть масштабирование там более продуманное.

— Тогда криптовалюты полностью изменятся? Если просто кто-то сможет взять и смайнить все, что возможно.

— Вопрос справедливый — к этому моменту любая криптовалюта будет готова. Скорее всего появится новый консенсус, и не только proof-of-work, где нужно постоянно перебирать значения Nonce, чтобы найти самый маленький хэш. Возможно, будут другие консенсусы. Когда уже будет видно, что через два-три года появится квантовый вычислитель, который это может сделать, любая криптовалюта скажет: теперь с этого номера блока считаем по-другому, теперь делаем так, чтобы квантовый компьютер это не смог высчитать. Я думаю, что криптовалюта не рухнет, потому что это не случится мгновенно.

— Почему вы это изучали? Есть ли у Сбербанка какие-то планы работать с криптовалютами?

— Нет, мы взяли только для примера биткойн, потому что это реализация идеологии блокчейн, которая у всех на слуху. А в реальности смысл исследования был не в том, конечно же, чтобы взломать биткойн, а в том, чтобы построить блокчейн на основе квантовых майнеров. Если у вас есть квантовый майнер, то он решит задачу поиска такого сложного хэша, который неподвластен классическим компьютерам. И таким образом, если у вас есть приватная сеть с парочкой квантовых майнеров, она вообще никак не доступна для атаки классическими. Что бы вы туда ни принесли — кластер, целый дата-центр, невозможно будет быстрее высчитать это все и взломать эту блокчейн-сеть. Мы больше с прицелом на это делали.

Квантовое превосходство

— Есть ли еще какие-то проекты и исследования?

— Мы очень хотим покопать тему квантовых вычислений в области ИИ. Там как раз очень часто встречаются задачи поиска минимума — например, используется градиентный спуск, и все эти задачи, опять же, очень сложны для классических компьютеров. За счет применения квантовых вычислений можно достаточно серьезно ускорить обучение нейросетей. Опять — при условии наличия квантового вычислителя соответствующей мощности.

Градиентный спуск — метод нахождения локального экстремума (минимума или максимума) функции с помощью движения вдоль градиента. Для минимизации функции в направлении градиента используются методы одномерной оптимизации, например, метод золотого сечения. Также можно искать не наилучшую точку в направлении градиента, а какую-либо лучше текущей.

Шаг градиентного метода часто используется как часть других методов оптимизации, например, метод Флетчера-Ривса.

— Касательно достаточных мощностей — сейчас у IBM 50 кубитов, и это максимум?

— То, что известно нам, простым людям — да.

— Нам может быть что-то неизвестно?

— Вполне возможно.

© Фото: Антон Карлинер / «Хайтек»

— Кто-то строит для себя?

— Почему нет? Если это позволит получить какое-то превосходство. Идея на поверхности — разработать такую штуку, которой нет у других. Но мне неизвестно о таких.

— И сколько надо кубитов (если это зависит от них), чтобы мы сказали, что квантовый компьютер появился и работает?

— Здесь я согласен со специалистами IBM, которые говорят, что нельзя мерить мощность квантового компьютера одним количеством кубитов. Они изобрели свою метрику, которая называется Quantum Volume. Эта метрика учитывает сразу несколько размерностей квантового компьютера — в частности, время жизни этих кубитов.

Если у вас будет компьютер на 10 тыс. кубитов, но они живут одну наносекунду, — он абсолютно бесполезен. Большую роль играет связность кубитов между собой, потому что как и в классических вычислениях, в квантовых огромную роль играет двухкубитный гейт — преобразования над несколькими кубитами.

Если у нас в классических есть так называемое преобразование «И», там участвуют два бита — первый и второй. Если между собой эти биты не будут связаны, то невозможно к ним будет применить оператор «И». То же самое в квантовых. Если они не будут между собой связаны, то станет невозможно применить к ним соответствующий гейт, и алгоритм будет бесполезен. Затем глубина схемы — сколько преобразований можно сделать до того момента, как результат будет неотличим от шума, который все равно получается в результате каких-то электрических взаимодействий и прочего. Ну и различные другие метрики. То есть просто о количестве кубитов говорить не совсем корректно. Но многие сходятся во мнении, что квантовый компьютер, который может решать именно прикладные задачи и будет полезен, появится на горизонте трех-пяти лет.