В СМИ давно и много говорится про квантовые компьютеры, между тем, сегодня по-прежнему далеко не все до конца понимают, что такое квантовые вычисления и в каких областях их можно использовать. Что это? Возможность заменить биты на кубиты, которые могут работать с большим объемом информации?
Когда мы говорим о том, что квантовый компьютер заменит классический, речь идет, в первую очередь, о возможности использовать принципы квантовой теории для вычислений. Кубит — это очень мощный элемент хранения и обработки информации. Так, в теории и для наглядности, вам потребуется, скажем, 10 классических компьютеров, чтобы обработать информацию, с которой справится всего один квантовый компьютер.
Но тогда почему квантовые компьютеры до сих пор не продаются в магазинах? Проблема в том, что квантовая механика не работает по правилам классической механики. В классической механике, если вы хотите что-то измерить, например, скорость движения объекта, вы просто измеряете эту скорость и все. В квантовой механике, если вы попытаетесь что-то измерить, как-то воздействовать на систему, она разрушится. То есть мы не можем контролировать процессы, которые происходят по правилам квантовой механики.
Много физиков по всему миру работают, чтобы решить эту проблему и создать квантовый компьютер. Потому что, в принципе, с его помощью можно решить очень много проблем — как практикоориентированных, так и даже чисто теоретических, связанных с математическим моделированием. Я занимаюсь именно моделированием, то есть теоретическими исследованиями.
Какие проблемы потенциально можно решить с помощью квантового компьютера?
Например, есть каноническая проблема разложения простых чисел на множители, которая также используется в криптографии. Простые числа – это те, которые можно делить лишь на самих себя или единицу, то есть это 1, 2, 3, 5, 7 и так далее. Много механизмов защиты информации в сети основаны на вычислении, является ли число простым или нет. Это простая проверка: ты просто делишь число и все. Но в вычислениях это занимает время. С помощью квантовых компьютеров мы, вероятно, сможем производить такие операции быстрее. Кроме того, сейчас компьютеры становятся все меньше, а мощности требуются все более высокие. Квантовые компьютеры должны помочь в решении этой проблемы.
В лабораториях Университета ИТМО проводится много исследований по созданию предсказательных моделей поведения толпы, распространения инфекций и других процессов. Как квантовые вычисления повлияют на работу таких моделей?
Пока сложно сказать однозначно, ведь у нас еще нет работающих квантовых компьютеров, поэтому мы можем только математически предсказывать, что изменится с их появлением. В принципе, и с помощью классических компьютеров мы сейчас можем вполне успешно реализовывать математические предсказательные модели, но с помощью квантовых вычислений это будет, очевидно, быстрее. В то же время, есть предположения, что квантовые вычисления помогут делать математические модели более точными и приближенными к реальности.
Каким образом? Какие недостатки есть у сегодняшних предсказательных моделей?
Есть проблема, связанная с нейросетями. Для создания предсказательных моделей мы используем нейросети, но они очень упрощают систему. Что это значит? Мы просто вводим в нейросеть данные, она их как-то суммирует, обрабатывает и дает новые данные на выходе. Это дает результаты, но мы не можем контролировать, как именно работает нейросеть.
Я использовал классические нейросети в моих исследованиях. Они полезны в одних ситуациях, но могут давать совершенно неверные решения в других. Например, мы использовали нейросеть, чтобы предсказать, если ли у человека некоторые проблемы со здоровьем, и она отлично работала. Но когда мы попробовали использовать нейросеть для предсказания поведения фондового рынка, ничего не получилось, потому что в экономической системе есть слишком много степеней свободы. Возможно, квантовые вычисления смогут учесть все эти степени свободы, и предсказательные модели даже для сложных экономических систем будут более точными и приближенными к реальности.
Для студентов и ученых, получается, много работы в этой области...
Конечно! Насколько мне известно, очень мало научных работ опубликованы в области именно квантовых нейросетей. Я проводил кое-какие расчеты в этой области. Но даже с математической точки зрения очень тяжело работать в таких системах, потому что нужно учитывать тысячи уравнений одновременно, информации очень много.
Конечно, можно использовать некоторые приближенные значения для расчетов, но как только вы это делаете, математическая модель становится менее точной, ее результаты будут отклонены от реальности.
Какие должны быть знания и навыки у студентов, чтобы начать работать в области квантовых вычислений?
Само собой, необходимы знания в области квантовой механики. Кроме того, я думаю, сейчас возрастет потребность в специалистах со знаниями каких-либо предметных областей.
Например, если спросить, с какими бы студентами я стал работать, я отвечу, что мне нужны люди со знаниями в области социологии, психологии, экономике, политологии. Ведь предсказательное моделирование неразрывно связано с предметной областью. Так, недавно мы с коллегами делали предсказательную модель поведения политических партий в Италии, это было связано с проходившими там выборами. Также мы разрабатывали модель предсказания состояния почв на юге Италии, что полезно для фермерских хозяйств.
Вы планируете продолжать сотрудничать с Университетом ИТМО?
В Университет ИТМО я приехал впервые, и многое в вопросе дальнейшей кооперации будет зависеть от реакции на мои лекции, от того, найдем ли мы точки соприкосновения со специалистами, которые работают здесь. Одна лекция направлена, скорее, на студентов, где я говорю об использовании неклассических инструментов из области квантовой механики для вычислений. Вторая лекция нацелена, скорее, на ученых, и там я уже подробнее говорю о моделировании, системах поддержки принятия решений в различных предметных областях. И в обоих случаях я буду рад сотрудничеству.
Отметим, что в Университете ИТМО открылась новая магистерская программа «Когнитивные технологии и квантовый интеллект», созданная на базе НИИ Наукоемких компьютерных технологий. Программа направлена на обучение современным технологиям в области когнитивных и квантовых вычислений. Эти знания будут необходимы для создания предсказательных моделей сложных социально-экономических процессов, разработки программного обеспечения, создания искусственного интеллекта. Одна из главных особенностей программы — акцент на подготовку будущих специалистов к работе в междисциплинарных областях: на стыке информационных технологий и биологии, социологии, политологии, экономики и других.
