За квантовите компютри говорим отдавна, сякаш ще се появят всеки момент. Всъщност все още ни делят доста години от реални пазарни приложения. Колко според вас?

Много е трудно да се каже. Моята лична прогноза е 10–15 години. Но и това е спекулация. Няма как да посочим точна дата, има много неизвестни. Факт е, че когато започнах да се занимавам с тази област преди 20 години, всичко беше изцяло теоретично, концептуално. Изобщо не съм очаквал, че за толкова кратко време тази материя, която беше изцяло от академичен интерес, ще започне да се превръща в индустрия. Да, все още няма пазарни приложения, но вече имаме прототипи на квантови компютри, имаме proof of concept неща. Всяка година излизат невероятни резултати във водещите списания. Разбира се, те са от интерес основно на научноизследователска общност. Все още „средният“гражданин си казва: „Е, голяма работа, че тук са добавили още 10 кюбита, мен това какво ме засяга?“. Обаче напредъкът в областта е видим и се случва с много бързи темпове. Въпрос на време е да видим приложение с практическа стойност и да се реализира голям пазарен потенциал.

Как измерваме този напредък? Докъде стигнахме с разработката на квантови компютри?

Към момента имаме някакви прости прототипи. „Прости“ е условно казано. Те са много сложни системи, но все още нямат капацитет да решават проблемите, които на теория имат потенциал да решават. Тоест броят кюбити е малък, те са много чувствителни към околната среда, допускат се много грешки. В крайна сметка много често резултатите след голям брой изчисления не се различават от просто един шум. Напредъкът го измерваме със скалирането на тези системи, да започнем да добавяме все повече кюбити, да държим грешките на достатъчно ниско ниво.

В момента най-често говорим за системи от порядъка на 100, 200, 300 кюбита. IBM има до около 1000. Със скалирането им в един момент ще има такива методи, чрез които систематично да чистим грешките. Това се нарича квантова корекция на грешките. Но за да се случи, трябва системите да разполагат с милиони кюбити и грешките при всяка от операциите да е достатъчно малка. Вече тогава ще можем да говорим за машини с цялостен потенциал.

Как се създават кюбити?

Има много различни платформи, които могат да поддържат тази система и не е ясно все още коя ще се окаже победител. За момента водещи са т.нар. свръхпроводни кюбити. Те са малки електрически вериги, подобно на LC (индукторно-кондензаторни, бел.ред.) вериги, които често се срещат в електрониката. Когато тези електрически вериги се охладят до много ниска температура, от порядъка на 10 mK, те започват да се държат като квантово-механичен обект. Тоест вече енергията се квантува. Можем да изберем две състояния, които да са състоянията на кюбита, можем да ги обработваме, можем да правим с тях квантови компютри.

Има и други варианти – йони в уловки например. Съвсем естествени йони, които са ни дадени от природата, примерно от калций. Те се улавят чрез капани, можем да ги облъчваме с лазерно или микровълново поле и по този начин да осъществяваме операции върху тях.

Откъде идват проблемите със скалируемостта?

Представете си свръхпроводните кюбити. Тези вериги стоят в един хладилник, който работи при много ниска температура. За да се контролират обаче, имаме нужда от една огромна класическа електроника: генератори на микровълнови полета, електрически сигнали, които се изпращат по коаксиални кабели, които влизат от стайна температура в хладилника и сигналите се изпращат до чипа.

Дори при 100–200 кюбита става въпрос за огромно окабеляване, което трябва да се вкара в хладилника, за да може да имаме контрол. Като започнем да добавяме кюбити, в един момент ще трябва да излезем извън този хладилник. Ще трябва да разполагаме с много хладилници и по някакъв начин те да са свързани, за да могат да обменят информация.

Проблемите са на много нива и това е интересното в тази област – тя е мултидисциплинарна и включва специалисти от различни области: теоретични физици, математици, компютърни учени, инженери, експериментатори. И всички трябва да работят съвместно, за да може да се решат предизвикателствата.

Тоест основният проблем е решаването на технически проблеми и сме сигурни, че тази технология ще се случи в по-голям мащаб, а няма да остане само теоретична разработка?

Когато става въпрос за наука, и то на такова ниво, няма нищо сигурно. Никой не може да ви каже 100%, че това ще се случи. Да, на този етап изглежда, че повечето от учените в областта са оптимисти. Задачата обаче е много мащабна. Все повече учените стигат до заключението, че това е задача, която изисква колаборация на много участници. Това не е по силата на един човек, на една научна група, дори на една огромна компания.

За превъзмогване на тези пречки по-скоро се нуждаем от инвестиции в областта или от човешки ресурс?
И от двете. Инвестициите растат през последните години. Интересът е огромен. Появиха се много стартъп компании, които разработват различни компоненти и са силни в различни подобласти на тази голяма сфера. Те, в голямата си част, разчитат не само на публични средства, но и на частни инвестиции.

Нужда от подготвени кадри също има със сигурност. Търсенето им в момента изпреварва предлагането.

Често споменаваме, че квантовият компютинг ще доведе до огромен скок в различни сфери на живота, бизнеса, науката. Какви са най-очакваните приложения?

Първоначално идеята за квантовия компютър е да се постигне по-добра машина за квантови симулации. Това звучи много абстрактно, но има съвсем реални приложения в области като медицината и по-скоро в дизайна на нови лекарства, в разработването на нови материали – все процеси, свързани със симулация на квантови системи.

От друга страна, в оптимизационните задачи също се очаква да има сериозно подобрение. Сред интересните примери са логистиката, финансовите и климатичните модели, но и много други. Ще има по-надеждни, по-бързи, по-усъвършенствани модели. Една от областите, в които се работи, е точно определянето на потенциалните приложения на квантовите компютри.

Със сигурност ще имат приложение при криптирането. Има ли опасност от апокалипсис в сигурността, ако в един момент се окаже, че няколко играча в света разполагат с технология, която бързо може да се справи дори с най-сложното налично криптиране за минути?

Големият интерес към квантовите компютри дойде точно след теоретичното показване на алгоритъма на Шор, който факторизира големи числа. Това е в основата на много съвременни криптографски протоколи. Ако имаме достатъчно голям, мощен квантов компютър, този алгоритъм би могъл да се ползва за разбиването им.
Смея да твърдя, че това е една от причините много държави да гледат на квантовите компютри като технология от значение за националната сигурност и да инвестират много в тази област.

Кои са ключовите играчи в тази област – държавни и корпоративни?

Основните играчи като корпорации са IBM и Google. Двете компании са крачка пред останалите. Най-големите и най-интересни резултати идват от тях. Но има и доста други.

Ако говорим за държави, вероятно САЩ и Канада са водещи, след това може би Европа, Австралия, Азия, Китай, Япония.

Има ли някой, който разполага с технологично предимство?

Не мисля. И дори ако има, то реално няма как да знаем за него. Като цяло в сферата се работи доста свързано – много от тези големи компании, институти обменят информация помежду си, колаборират по големи проекти. Така че в момента, общо взето, се знае статутът в областта – какво е възможно и какво не е.

Подчертавате колаборацията – значи ли това, че вече наличните квантови компютри са достъпни и за външни разработчици? Например за вас?

Облачният достъп към системите на IBM, а и към други системи, е наличен. Всеки би могъл да го достъпи, даже IBM дават 10 минути изчислително време на месец абсолютно безплатно. Вие се логвате в системите на IBM и започвате да пускате квантови алгоритми, няма никакъв проблем. Допълнителното време се заплаща.

Ние работим на тези системи – проверяваме различни методи за контрол, които сме разработили например. Тестваме методи, които допреди няколко години е можело само теоретично да изведем.

Каква е ролята на България в развитието и възприемането на тези технологии – като научен принос, бизнес потенциал, държавна политика?

Мисля, че България стои добре. Има сериозни специалисти и центрове, в които се работи. Най-силен е Центърът за квантови технологии в Софийския университет, INSAID също, БАН – чрез Института по физика на твърдото тяло, както и няколко други звена и университети в България. Така че – да, има хора. Тенденцията е тези хора да се обединяват, да започнат да работят малко по-координирано и под една шапка.

От страна на държавата има разбиране за важността на квантовите технологии и се очаква тя да се ангажира още повече в тази област. Преди няколко години беше създадена магистърска програма в СУ по квантови технологии. Там се работи усилено за подготовка на нови специалисти. Мисли се и за по-цялостна бакалавърска програма.

Може ли да съществува предприемачество, да се появят малки, стартиращи компании, или потенциал имат само големите организации?

Големите корпорации развиват много неща в областта, но има и по-малки стартъпи. Има много примери за такива, излезли от европейски научни групи, от университети, които се развиват нишово. Мисля, че България би могла да се включи тук. Очаквам до няколко години да излезе такъв стартъп от Центъра по квантови технологии на Софийския университет. Говорили сме в тази посока заедно с другите институти да направим нещо заедно. Има идеи, така че вероятно ще се случи.

Ако имате на разположение огромен квантов суперкомпютър, каква е първата задача, която бихте му задали?

Да симулира някоя сложна молекула. Да симулира кофеина. Не съм сигурен (смее се). Но със сигурност ще е интересно да си поиграе човек, да пробва да симулира нещо, което не е възможно на класическия компютър.

Доц. д-р Боян Торосов е учен с интереси в сферата на квантовите компютри и контрола на квантови системи. В момента е доцент по атомна физика в БАН, както и старши изследовател в канадската компания за квантови изчисления 1QBit. Преподава квантови компютри и квантови алгоритми в СУ „Св. Климент Охридски“ и е член на Управителния съвет на Центъра за квантови технологии към университета.

Завършва магистратура по теоретична и математична физика и след това докторантура по атомна и молекулна физика в СУ „Св. Климент Охридски“. Има специализации в редица международни университети.

Д-р Торосов беше един от участниците в конференцията DEV.BG All in One 2024.