Практическая магия: как идет гонка за создание квантового компьютера
Современные компьютеры приближаются к физическому пределу вычислительной мощности своих чипов. Следующим поколением могут стать квантовые компьютеры, основанные на принципах квантовой механики и потенциально на порядок более производительные. В эту технологию инвесторы и правительства уже вложили $55 млрд, подсчитал Forbes. В середине ноября влиятельный журнал Nature написал об американской компании PsiQuantum, которая обещает создать практически полезный квантовый компьютер к 2027 году.
Наука о том, что не поддается пониманию
Термин «квантовая механика» в 1924 году предложил немецкий физик Макс Борн в своей статье Über Quantenmechanik. Для Борна и других ученых квантовая механика обозначала теорию движения атомов, электронов, протонов и других частиц мельче атома (их называют субатомными), обладающую тем же уровнем общности и последовательности, что и классическая механика.
«Поведение материи и излучения в атомном масштабе часто кажется странным, и следствия квантовой теории, соответственно, трудно понять и принять. Ее концепции часто противоречат здравому смыслу, полученному из наблюдений за повседневным миром», — отмечает энциклопедия Британика.
Если вы ничего не поняли, то вы не одиноки. В 1964 году, за год до получения Нобелевской премии за вклад в квантовую теорию, знаменитый физик Ричард Фейнман сказал:
«Никто не понимает квантовую механику». Все это не помешало физикам, включая Фейнмана, в 1980-х годах задуматься, можно ли использовать квантовые явления для обработки информации.
В 1985 году оксфордский физик Дэвид Дойч, которого называют «отцом квантовых вычислений», теоретически доказал, что квантовый компьютер может эффективно моделировать поведение любой физической системы, а девять лет спустя математик Питер Шор из Лабораторий Белла написал алгоритм, который мог бы использовать возможности квантового компьютера для взлома широко используемых систем шифрования. Вот это уже вызвало серьезный резонанс: только вообразите себе правительство или компанию, получившие в руки такой инструмент. Угроза, пусть пока и теоретическая, была достаточно серьезной, чтобы американское Министерство обороны начало проводить консультации с учеными по поводу развития квантовых технологий. Заинтересовались темой и крупные технологические компании.
Чуть позже, в 1996 году, Лов Гровер из Лабораторий Белла предложил еще один алгоритм для квантовых компьютеров, который позволял искать нужную информацию в базах данных гораздо быстрее, чем путем простого перебора значений.
«Алгоритм Гровера может найти вас в телефонной книге со 100 миллионами имен всего за 10 000 операций. Если бы классический алгоритм поиска просто прокрутил все списки, чтобы найти вас, ему потребовалось бы в среднем 50 миллионов операций», — пишет Wired.
Интересно, что алгоритмы появились раньше самих квантовых компьютеров.
Наконец, в 1998 году Айзек Чанг из IBM, Марк Кубинец из Калифорнийского университета в Беркли и Нил Гершенфельд из Массачусетского технологического института создали первый реальный прототип квантового компьютера, используя раствор хлороформа в воде и магнитные поля, чтобы управлять атомами в растворе.
Они заставили молекулы действовать, как компьютеры, считывая результаты с помощью методов измерения ядерного магнитного резонанса. Программа, которую они запустили на своем квантовом компьютере, известна как алгоритм поиска Гровера, описывала произошедшее The New York Times .
«Это похоже на открытие четырех дверей, чтобы найти мяч, спрятанный за одной из них. Используя обычный компьютер, в среднем потребовалось бы открыть более двух дверей одну за другой. По словам Чанга, сила квантового компьютера в том, что он может открыть все четыре двери сразу и найти мяч за один шаг», — писала газета.
Таинственная суперпозиция
Третий закон знаменитого фантаста и футуролога Артура Кларка гласит: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Когда читаешь о квантовых компьютерах, не покидает ощущение, что это магия и есть.
Обычные компьютеры работают на чипах, состоящих из миллиардов микротранзисторов. Каждый транзистор может находиться в одном из двух состояний — включен (1) или выключен (0). Это и есть элементарная единица компьютерной информации — бит. Все что вы видите на экране своего компьютера и телефона есть в конечном счете комбинация нулей и единиц.
Квантовый компьютер оперирует другими элементарными единицами — кубитами. Кубиты используют странные свойства квантовой физики, а потому могут выражать несколько состояний одновременно.
«Волшебная сила квантовых вычислений заключается в том, что позволяет кубитам делать больше, чем просто переключаться между 0 и 1. Обращайтесь с ними правильно, и они смогут переключаться в таинственный дополнительный режим, называемый суперпозицией… Кубит в суперпозиции имеет некоторую вероятность быть 1 или 0, но он не представляет ни одно из этих состояний, точно так же, как монета, подброшенная в воздух, не является ни орлом, ни решкой, а некоторой вероятностью того и другого», — пишет Wired.
Благодаря этому квантовые машины могут выполнять множество вычислений одновременно, в то время как обычные компьютеры вычисляют возможности одну за другой.
«Давайте посмотрим на классический компьютер, вычисляющий, как мышь перемещается по лабиринту. Это мучительно. Составляя карту, компьютеру придется отмечать каждый левый поворот, правый поворот, левый поворот, правый поворот, прежде чем он найдет выход. Квантовый компьютер сканирует все возможные маршруты одновременно. Это удивительно», — описывал работу квантового компьютера известный физик и писатель Митио Каку.
Считается, что благодаря своей природе квантовые компьютеры будут особенно хороши для моделирования физико-химических реакций, что позволит синтезировать новые молекулы с невиданными свойствами. Так можно будет создавать эффективные аккумуляторы или лекарства. Также они пригодятся для оптимизации сложных систем, улучшения управления транспортными потоками или электросетями, например. Наконец, их можно будет использовать для генерации синтетических данных для обучения моделей ИИ и, конечно, криптографии, перечисляет Forbes.
Гонка за квантовым превосходством
«Квантовые компьютеры… вступили в подростковый возраст. Неясно, как долго продлится эта неловкая фаза, и, как и в случае с человеческим половым созреванием, иногда может казаться, что она будет длиться вечно», — пишет Wired.
Пока все существующие модели недостаточно велики и не слишком надежны, чтобы стать действительно полезными.
Использование квантовой механики для обработки информации способом, который просто невозможен в классической системе, делает квантовые компьютеры очень хрупкими. «Допустите малейшее возмущение ваших кубитов, и в них закрадутся ошибки, которые сделают вывод вашего квантового компьютера бесполезным», — объясняет Vox.
Фактически, существующие сейчас квантовые компьютеры тратят большую часть своей мощности на устранение непрестанно возникающих ошибок.
Тем не менее, оптимисты из Quantum Insider считают, что благодаря квантовым вычислениям человечество получит $1 трлн экономической выгоды в 2025-2035 годах, а поставщики квантовых вычислительных услуг заработают за этот же период $50 млрд.
Но до этого им предстоит вначале доказать свое «квантовое превосходство», то есть на практике создать квантовый компьютер, который сможет решать задачи быстрее, чем обычные суперкомпьютеры.
В 2019 году Google с помпой объявила о достижении этого предела — якобы ее квантовый компьютер Sycamore за 200 секунд решил задачу, на которую самому быстрому суперкомпьютеру понадобилось бы 10 тысяч лет. Однако вскоре IBM, которая тоже занимается разработкой суперкомпьютеров, оспорила этот результат, заявив, что те же вычисления могут быть выполнены на классической компьютерной системе за 2,5 дня и с гораздо большей точностью. Кроме того, решенная Sycamore задача не принесла никакой пользы. Просто по определенным правилам была сгенерирована длинная последовательность случайных чисел.
«Первый самолет летел всего 12 секунд – тоже никакой практической пользы. Но он показал возможность того, что самолеты могут летать», — оправдывался гендиректор Google Сундар Пичаи.
С квантовыми вычислениями экспериментируют и другие технологические гиганты, такие как Amazon и Microsoft, а также несколько стартапов. Портал Yahoo Finance в октябре рекомендовал следить за тремя перспективными компаниями в этой сфере — IonQ, Rigetti и D-Wave Quantum.
IBM в прошлом году прогнозировала, что не разработает практически полезные квантовые компьютеры до конца десятилетия, писал Vox.
Однако журнал Nature в ноябре обратил внимание на американскую компанию PsiQuantum, которую основал австралийский физик Джереми О’Брайен вместе с тремя коллегами-учеными. По данным журнала, компания без лишнего шума собрала $1 млрд инвестиций, и ее бюджет в области квантовых вычислений, вероятно, соперничает с расходами Google или IBM на аналогичные разработки. На сайте PsiQuantum говорится, что среди ее инвесторов фонд BlackRock, а также венчурный фонд Microsoft M12.
PsiQuantum создает кубиты из фотонов — частиц, из которых состоит свет. Над фотонной технологией работают и другие стартапы — канадский Xanadu, американский Quandela и британский ORCA Computing, но ни один из них не смог привлечь такой объем финансирования, отмечает Nature.
В PsiQuantum утверждают, что разработали полный набор электронно-оптического оборудования, необходимого для создания практически полезного и отказоустойчивого квантового компьютера с 1 млн кубитов к концу 2027 года. Для понимания масштаба амбиций — даже IBM сейчас экспериментирует с квантовыми чипами Condor, в которых только 1121 кубит.
Впрочем, некоторые комментаторы Nature в материале называют всю затею PsiQuantum «авантюрой».
Практически одновременно с выходом статьи в Nature компании Microsoft и Atom Computing объявили, что будут готовы предложить рынку первый коммерческий квантовый компьютер «свыше 1000 кубитов» уже в следующем году.
Гонка продолжается.
