Совещание MPQIT-2024: время пришло

Участников совещания приветствовали вице-директор ОИЯИ Л.Костов, директор ЛИТ С.В.Шматов и сопредседатели оргкомитета совещания А.Хведелидзе и В.В.Кореньков. С приветственной речью к участникам обратилась Д. эль-Фики (Академия научных исследований и технологий Египта).


Сопредседатели оргкомитета совещания Владимир Кореньков и Арсен Хведелидзе

- Мы проводим в нашей лаборатории три больших конференции, - напомнил В.В.Кореньков. - Это конференция по грид-технологиям, которая всегда проходит в Дубне; конференция, которую проводим вместе с нашими друзьями из Словакии, "Математическое моделирование и математическая физика" - MMCP; конференция NEC. Возрождаем те конференции, которые приостановились, и уже в этом году в Ереване состоится MMCP. В следующем году, наверное, объявим NEC, где, еще не знаем. Уже много лет говорим, что нам не хватает четвертой мощной конференции, которая посвящена квантовым компьютерам, и это рабочее совещание станет базой будущей конференции, чтобы создать ее команду, подготовить международное сообщество участников.

В нашей лаборатории достаточно давно существует сектор аналитических и квантовых вычислений, руководителем которого был Владимир Петрович Гердт. Он много лет в мае проводил небольшие рабочие совещания по аналитическим и квантовым вычислениям. Сейчас мы решили их расширить, поскольку квантовые вычисления все больше и больше становятся трендом в развитии информационных технологий. Здесь много загадок, очень много вопросов и сложных аспектов, начиная с теоретической основы, которой мы как раз занимаемся, - квантовым перепутыванием. Но сейчас эта технология уже вступает в практическую плоскость, особенно что касается оптимизации, квантовой телекоммуникации и квантовой безопасности. Это становится реальным проявлением квантовых технологий.

Мы занимаемся алгоритмами, используя не квантовые компьютеры, а эмулятор квантовых вычислений на суперкомпьютере "Говорун": эмулируем порядка 40 кубитов и пытаемся решать разные задачи. Среди задач, в которых еще не сильно продвинулись, - моделирование сверхтяжелых элементов. Юрий Цолакович Оганесян поставил перед нами задачу найти предел работы Периодического закона: до какого именно элемента он работает. Задача сверхтяжелая, всех компьютеров в мире недостаточно, чтобы ее решить, и пытаемся продвигаться в этой идеологии, используя как обычные суперкомпьютеры, так и эмулятор квантовых вычислений.

Вторая сверхзадача, которой мы занимаемся, - это оптимизация задач для ускорительного комплекса NICA. Начали с оптимизации процесса охлаждения сверхпроводящих магнитов, чтобы единичный процесс был более быстрым, эффективным и управляемым. А следующий этап - поддержка всех сверхпроводящих магнитов в оптимальном состоянии. Это реальная задача, которой мы занимаемся, там используется целый стек технологий: и глубокое машинное обучение, и квантовое, и много-много всего, что позволяет нам оптимизировать этот процесс.

- Пока трудно оценивать результат, но, мне кажется, у нас получилось, нам удалось пригласить специалистов из большинства квантовых центров России, прозвучали два мощных доклада. В одном из них показана политика в области квантовых вычислений в Египте, а второй обзор сделал, я считаю, один из величайших специалистов современности по технологиям квантовых вычислений С.Я.Килин (Белоруссия). На его доклад надо было отвести не полчаса, а хотя бы два с половиной. Я надеюсь, это рабочее совещание вызовет определенный резонанс, и главное, чтобы оно зародило оптимизм в нашем Институте, чтобы команда, которая занимается квантовыми технологиями, расширялась и продвигала знания в этой области на более высокий уровень.

Сергей Шматов: "Мы должны быть готовы..."

- Говорить, что квантовый компьютинг - это актуальная тема, не приходится, достаточно открыть интернет и увидеть, что этим занимаются очень многие научные организации мира, - подчеркнул С.В.Шматов. - Вот и на этом совещании мы услышали прекрасные доклады специалистов из Египта. Как оказалось, у них очень мощная школа по квантовым вычислениям. Уже много лет говорится, что квантовый компьютер позволяет достичь квантового превосходства, увеличить быстроту вычислений, обработку большого объема информации и так далее. Задача этого совещания довольно простая: сделать небольшой обзор состояния дел, прежде всего, в ОИЯИ и странах-участницах, увидеть, куда идет развитие. В ОИЯИ отсутствует квантовый компьютер, и все вычисления мы должны делать с помощью так называемых квантовых эмуляторов, но хотелось бы понять, в какую сторону мы все движемся. С одной стороны, это теоретические разработки в данном направлении, создание алгоритмов, различных подходов, и когда в перспективе появится квантовый компьютер, мы сможем все свои разработки применить. По существу, речь идет о накоплении стека программного обеспечения, которое может понадобиться в будущем. С другой стороны, нужно понять, когда мы сможем получить какую-нибудь значимую выгоду от всей этой деятельности, когда мы сможем привнести квантовые вычисления в традиционные темы обработки и анализа данных, экспериментальной информации, которые существуют сейчас. Например, планируя обработку данных на той же NICA, - есть ли перспективы дождаться, что квантовый компьютинг когда-нибудь сделает возможным во много раз увеличить скорость обработки экспериментальных данных в этом проекте и других мегасайенс-экспериментах.

Как следует из ответа на ваш вопрос С.Я.Килина, в ближайшее время этого не стоит ждать…

- Да, потому я и задал ему этот вопрос, и моя точка зрения такая: на горизонте планирования в 25 лет мы вряд ли можем ожидать существенных изменений в подходе к компьютингу и идеологии обработки и анализа информации, но вести плановую подготовку и быть готовыми к тому, что у нас когда-то появятся такие инструменты и такие алгоритмы, которые позволят использовать мощности квантовых компьютеров, - конечно же, такую деятельность мы должны продолжать. Плюс, как совершенно правильно сказал Сергей Яковлевич, можно использовать комбинированный подход, при котором вместе с традиционными суперкомпьютерами применяются какие-то наработки из квантового компьютинга для того, чтобы создавать ускорители уже суперкомпьютера. Надеюсь, совещание поможет нам взглянуть на это под новым углом, появится какая-то новая точка зрения.

- Мы к этой конференции шли долгое время, начиная с 2015 года, уже собрались провести её в 2020-м, но началась пандемия ковида, - вспоминает А.Хведелидзе. - Эта деятельность начиналась в нашей лаборатории Владимиром Петровичем Гердтом с 2000-х годов. Сейчас настал тот период, когда откладывать дальше уже нельзя. Сегодня мы попытались собрать людей, которые работают в различных направлениях, связанных с квантовым компьютером, - с одной стороны и железом занимаются, а с другой стороны - чисто алгоритмическими вещами, математическими проблемами. К нам приехали специалисты из нескольких центров России - Математического института имени Стеклова, Санкт-Петербурга, российских квантовых центров - это МГУ и "Сколково". Кроме того, совещание открыла представитель Египта Д. эль-Фики, это направление крайне интересно странам-участницам.

Вспомнили о В.П.Гердте мы и с Н.Н.Васильевым (Санкт-Петербургское отделение Математического института им. Стеклова):

- Да, Владимир Петрович порадовался бы, но я не совсем согласен, что это начиналось с семинаров, а сейчас выросло до совещания. Все начиналось с очень крупных международных конференций по компьютерной алгебре, первая прошла еще при жизни Николая Николаевича Говоруна, а Владимир Петрович стал ее движущей силой. Дубна была центром, в котором развивалась компьютерная алгебра. Уже на вторую конференцию, которая состоялась в 1980 году, приехал Бруно Бухбергер, ныне здравствующий классик компьютерной алгебры, и многие другие. Потом международные конференции такого масштаба прекратились и проводились небольшие семинары, ставшие позже ежегодными. В.П.Гердт руководил сектором алгебраических и квантовых вычислений, и еще при его жизни шла речь о том, чтобы оба эти направления были отражены в совещаниях. Вот теперь мы снова можем участвовать в совещаниях очень высокого научного уровня, видеть своих друзей, коллег и продолжать сотрудничество.

- Впечатления от совещания прекрасные, - делится со мной Димитр Младенов (Софийский университет, Болгария). - Арсен, мой друг и сподвижник, вместе со своими коллегами прекрасно справился с его организацией. Я здесь услышал и знакомые вещи, и много нового. Цель таких встреч - не только обменяться новой информацией, но и организовать сеть квантовых центров, которые работали бы в режиме постоянного обмена информацией. Здесь были представлены все выдающиеся российские квантовые центры, а сейчас в разных регионах России создаются новые центры, я знаю, что они есть в Новосибирске, на Дальнем Востоке. Надо привлекать новых участников, а также специалистов из стран-участниц, потому что это направление даже не модное, а, я бы сказал, стратегическое, и такое совещание - весомый шаг для всего этого сообщества.

Доклад делает Мартин Буреш

- Я перешел работать к Владимиру Петровичу Гердту в 2019 году из ЛТФ, - вспомнил Мартин Буреш (ЛИТ). - От наших физиков-теоретиков узнал, в ЛИТ есть группа, занимающаяся квантовыми вычислениями, это меня заинтересовало. Владимир Петрович очень тепло меня принял, стало ясно, что будем сотрудничать, потом я перешел в ЛИТ. Сначала работал с Арсеном Хведелидзе, который после смерти Владимира Петровича возглавил сектор. Владимир Петрович был единственным, кто занимался со своими студентами квантовыми алгоритмами в их настоящей форме.

Такая ирония судьбы: квантовыми алгоритмами я и Ю.Г.Палий начали заниматься только после смерти В.П.Гердта. Думаю, ему было бы очень приятно увидеть, что его дело продолжается и почти вся его группа в той или иной степени занимается разными аспектами квантовых алгоритмов. А в прошлом году я наконец-то начал работать над прикладной задачей, сотрудничая с Геннадием Алексеевичем Ососковым и Иваном Кадочниковым, - трекингом частиц коллайдера NICA. Как оказалось, есть много квантовых алгоритмов, которые применимы именно к трекингу частиц, так что мы сейчас над этим интенсивно работаем, и я сегодня об этом рассказывал.

- На мой взгляд, это совещание продолжает те традиции ЛИТ начала 2000-х годов, когда они предложили, а В.Г.Кадышевский и А.Н.Сисакян поддержали проведение серии конференций "Квантовая физика и коммуникации", - отметил А.В.Чижов (ЛРБ). - Они привлекли огромное количество мировых специалистов и пользовались колоссальным успехом. Потом эта серия прервалась, и мне очень приятно, что нынешнее совещание становится естественным продолжением, как мне кажется, тех конференций, воплощением тех идей, которые были заложены в нашем Институте, и они, я уверен, будут продолжаться.

Квантовые компьютеры - это сложно не только в смысле реализации, но и в философском понимании, - поделилась я с А.Хведелидзе после его завершающего доклада на совещании.

- Действительно, сложно. Касательно вычислительных процессов - на совещании был представлен доклад коллеги из Российского квантового центра "Сколково", в котором обсуждался вопрос: как формулировать вычисления в терминах кудитов. Кудиты - это d-уровневая система, в отличие от двухуровневых кубитов позволяющих реализовывать более сложную логику (например, с использованием кутритов (трехуровневые системы) связана троичная логика). При этом возникает вопрос, есть ли внутри кудитов кубиты и как это позволит сделать вычисления более эффективными? В своем докладе я пытался рассмотреть такую задачу: есть четырехуровневая квантовая система, и какова вероятность, что в ней живет, например, пара двухуровневых? Эта проблематика непосредственно связана с эффективностью вычислений - следует ли считать в терминах двухкубитных систем или четырехуровневых, когда ты четырехуровневую систему воспринимаешь как элементарную. Ведь, если вы знаете, что она состоит из двухкубитных подсистем, вы уменьшаете неопределенность.

Интересно, что в подобных исследованиях, в конкретных вычислениях, происходит отражение сложной философской проблемы "части и целого". И часто бывает так, что в своей работе, следуя тем или иным философским представлениям, ты движешься в одном направлении, но в процессе вычислений натыкаешься на нечто совершенно неожиданное, что заставляет тебя очень сильно поменять как свои представления, так и сами изначальные намерения. Возможно, так и произойдет с квантовыми вычислениями, но в любом случае мы должны пройти этот крайне интригующий путь.

Свой доклад Арсен завершил цитатой из автореферата работ Д.И.Блохинцева "Мой путь в науке": "Мне было очень отрадно установить, что квантовая механика лишает мир постного лика, который навязывает ему примитивный детерминизм. В свете этой науки весь мир предстает как азартная игра изобретательного случая".

Из доклада С.Я.Килина: 25 лет назад был написан обзор по квантовой информации. Мы все думали, что квантовые компьютеры будут быстро реализованы, но все происходит достаточно медленно... Прошло 25 лет, и только сейчас можно сказать, что общество осознало: эти технологии революционны. Они потребуют многих достижений, физических и технических, прежде чем будут получены скромные по параметрам, но фантастические по ресурсам результаты.

...Создать универсальный квантовый компьютер - слишком сложная задача, чтобы планировать точные даты. На передний план выходит создание квантового компьютера небольших масштабов. Рыночными инструментами задачу создания универсального квантового компьютера не ускорить, это наукоемкое решение, хотя прогресс технологий за прошедшие четверть века значительный.