Вот что квант животворящий делает

Сегодня квантовые вычисления — одно из стратегических направлений развития, которому уделяют большое внимание крупные корпорации и научные центры. И хотя в печати время от времени сообщается об очередных достижениях по созданию квантовых компьютеров, пока что речь идёт, в основном, об экспериментальных изделиях для отработки идей и технологий. Использовать такие компьютеры в жизни пока затруднительно. Но вполне вероятно, что именно в 2017 нас ожидает прорыв в сфере практического применения квантовых компьютеров.

Минутка ликбеза

На всякий случай напомним, что такое квантовые вычисления. Классические компьютеры выполняют вычисления с помощью битов, которые могут быть в одном из двух состояний — 0 или 1. В квантовых вычислениях используются квантовые биты — quantum bit, qubit, кубит. Благодаря явлению квантовой суперпозиции кубиты могут находиться в одном из трёх состояний — 0, 1, 0 и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам решать определённые типы сложных алгоритмических задач, которые обычными компьютерами либо вообще не решаются, либо решаются очень долго.

Сегодня существует несколько разных подходов к получению кубитов, каждый из которых имеет сильные и слабые стороны. Например:

• Сверхпроводящие контуры — элементы, в которых без потерь циркулирует электрический ток. Управляются внешним источником микроволнового излучения. Могут быть построены на промышленных суперпроводниках, но очень нестабильны и требуют поддержания сверхнизкой температуры.

• Ионы в вакуумных ловушках — с помощью лазеров можно менять энергию ионов и переводить их в состояние суперпозиции. Очень стабильны, но работают не слишком быстро и требуют использования большого количества лазеров.

• Кремниевые квантовые точки — электроны добавляются к крохотным кусочкам кремния, управление происходит с помощью внешнего источника микроволнового излучения или лазерами. Стабильны, создаются на промышленных полупроводниках, но требуют поддержания сверхнизкой температуры и плохо поддаются масштабированию.

• Топологические кубиты — в поведении электронов, путешествующих по полупроводниковым структурам, можно выделить паттерны, с помощью которых можно кодировать квантовую информацию. Эта идея отличается низким уровнем ошибок, но её достоверность не подтверждена.

• Азото-замещённая вакансия в алмазе — дефект кристаллической решётки алмаза, связываемый с атомом азота. Управление лазером. Работает при комнатной температуре, но трудно масштабировать.

Сила квантовых компьютеров заключается в экспоненциальной масштабируемости их вычислительной мощности. Двухкубитные машины одновременно выполняют 4 вычисления, трёхкубитные — 8 вычислений, 4-кубитные — 16, и так далее. Перспективность квантовых компьютеров такова, что один процессор на 50-60 кубитов в ряде задач может быть более производительным, чем китайский суперкомпьютер Тяньхэ-2, занимающий площади размером с половину футбольного поля, потребляющий 20 мегаватт энергии и стоивший около $400 млн.

Эксперты ожидают появление квантовых вычислительных устройств, способных конкурировать с суперкомпьютерами, в течение ближайших полутора лет.

На пороге революции

Над созданием квантовых компьютеров сегодня работают Google, Lockheed Martin, Лаборатория в Лос-Аламосе, Microsoft, IBM, Intel, Rigetti Computing, D-Wave и многие другие корпорации, компании и лаборатории. Согласно мнению аналитиков Gartner, технологии квантовых вычислений находятся на раннем этапе своего развития:
Квантовые компьютеры достигнут «плато продуктивности» более чем через десять лет. А это означает, что в 2017-2018 годах весьма вероятно появление первых образцов, которые будут более универсальны в применении. Дело в том, что современные разработки совершенно непрактичны для повседневного применения. Кубиты неустойчивы и могут легко быть выведены из состояния суперпозиции, а сами квантовые компьютеры представляют собой сложные установки, очень требовательные к параметрам окружающей среды.

Кроме того, квантовые компьютеры чрезвычайно сложны в программировании, поскольку для этого требуются весьма специфические знания. Для подавляющего большинства практических задач приходится использовать промежуточные средства преобразования в языки квантовых компьютеров, что сводит на «нет» их главное преимущество — невероятную производительность. Поэтому развитие квантовых технологий идёт по двум направлениям: совершенствование аппаратной части и разработка новых подходов к программированию.

Квантовые компьютеры в массы

В прошлом году IBM запустила облачный сервис, позволяющий запускать сторонние программы на принадлежащем корпорации квантовом компьютере. А один из самых известных разработчиков квантовых компьютеров, канадская компания D-Wave создала open source-инструмент Qbsolv. Он призван помочь разработчикам программировать компьютеры D-Wave без необходимости углубляться в дебри квантовой физики. Qbsolv можно назвать попыткой придать человеческое лицо квантовому программированию. Это очень правильный шаг, ведь учитывая сложность, новизну и непонятность квантовых вычислений, мало кто из IT-специалистов в полной мере осознаёт важность этой технологии, насколько она способна изменить нашу жизнь.

Около года назад появился и другой бесплатный инструмент — Qmasm, облегчающий бремя написания кода для компьютеров D-Wave. Он избавляет программистов от необходимости думать об адресации конкретного железа. Обе эти инициативы — Qbsolv и Qmasm — призваны привлечь внимание сообщества разработчиков к решению проблем, характерных для квантовых вычислений. Правда, чтобы запустить созданные с помощью этих инструментов программы вам нужен будет доступ к одному из компьютеров D-Wave, но можно воспользоваться и доступным для скачивания симулятором. Конечно, это неравноценные варианты, но хоть что-то для начала.

Квантовые компьютеры D-Wave сегодня считаются одними из самых продвинутых. Они построены на принципе квантового отжига (квантовой релаксации) и предназначены для очень узкого спектра задач: решения вопросов оптимизации. Классический пример — задача коммивояжёра: вычисление кратчайшего замкнутого маршрута, проходящего по всем заданным точкам.

Несколько лет назад машины D-Wave подвергались массовой критике, и даже ставилась под сомнение их квантовая сущность. В 2013 году консорциум Google и NASA приобрёл квантовый компьютер D-Wave. В 2015-м специалисты Google опубликовали научную работу, в котором подтвердили, что компьютер D-Wave действительно использует для своих вычислений квантовый эффект, и какую-то конкретную, узкую задачу может решать в 100 млн раз быстрее обычных компьютеров. Теперь скептики в основном сомневаются, может ли компьютер D-Wave в целом работать быстрее обычных компьютеров, и является ли лежащий в его основе принцип более эффективным, чем подходы IBM и других разработчиков.

От квантов к искусственному интеллекту, суперлекарствам и прочим благам

Масла в огонь подливают высказывания разработчиков D-Wave, согласно которым их детище не обязательно предлагает самое эффективное решение задач по оптимизации. Суть в том, чтобы дать решение, возможно, не идеальное, но зато сделать это очень быстро. То есть основное предназначение квантовых компьютеров D-Wave — решение таких задач, для которых критична скорость нахождения решения, а не его точность.
Под это описание подходят многочисленные задачи в сфере искусственного интеллекта. Машинное обучение по большей части решает проблемы «распознавания паттернов». Алгоритмы перелопачивают большие наборы данных в поисках сигналов в шуме, и необходимо максимально увеличить количество сравнений в поисках лучшей модели описания этих данных. Квантовые компьютеры могли бы решать подобные задачи на порядки эффективнее, одновременно сравнивая огромное количество данных и их преобразования. Это позволило бы гораздо быстрее придти к гораздо более мощным формам искусственного интеллекта.

Правда, можно назвать как минимум одну сферу, для которой развитие квантовых компьютеров является не благом, а кошмаром — криптография. Многие алгоритмы, стойкость которых основывается на колоссальной длительности перебора возможных вариантов с помощью классических компьютеров, с внедрением квантовых вычислений вмиг перестанут быть надёжными. По этой причине, например, американский Национальный институт стандартов и технологий призвал правительство к 2025-му году быть готовым перейти на «постквантовую» криптографию. Майкл Моска, сооснователь Института квантовых вычислений в Университете Ватерлоо, а также сооснователь компании EvolutionQ, пришёл к выводу, что с вероятностью около 14% к 2026 году будут созданы квантовые компьютеры, способные взламывать алгоритмы шифрования, которые сегодня используются в критически важных системах. Иными словами, лет через 10 криптография в её современном виде может просто перестать быть актуальной. С другой стороны, квантовые вычисления позволят создать новые, невиданные ранее алгоритмы.

Другая важнейшая сфера применения квантовых компьютеров — моделирование сложных молекулярных взаимодействий на атомарном уровне. Скоро мы сможем смоделировать все 20 тыс. протеинов, закодированных в человеческом геноме, и начнём изучать воздействие на них лекарств, как существующих, так и тех, что будут созданы. Такая глубина моделирования позволит разработать средства от болезней, которые сегодня считаются неизлечимыми.

Моделирование взаимодействий на атомарном уровне даст нам возможность создавать и новые материалы с невиданными характеристиками. Возможно, мы сможем производить более эффективные суперпроводники, более мощные магниты, более ёмкие и компактные аккумуляторы, и так далее.

Квантовые компьютеры позволят поднять на новый уровень наше понимание устройства биологических систем, протекания различных процессов, свойственных объектам живой природы. Биомиметика породит новые невероятные изобретения, в том числе новые материалы, более эффективные системы хранения энергии, всевозможные машины и устройства, использующие принципы движения различных птиц, животных и насекомых.

Иными словами, квантовые компьютеры будут одним из важнейших факторов, приближающих наступление технологической сингулярности. Что будет после — не может предположить никто. Это словно горизонт событий для нашей цивилизации. И мы мчимся к нему на всех парах.