«Квантовое превосходство:» Как суперкомпьютер Google перевернет мир

Журналист The Wall Street Journal Джек Никас посетил лабораторию Google, где создается сверхмощная вычислительная машина, которая сможет перевернуть все сферы жизни — от науки и медицины до обороны.

Хартмут Невен верит в параллельные вселенные. Недавно мы беседовали рядом с офисом Google в Лос-Анджелесе, и 53-летний ученый-информатик читал мне лекцию о том, как квантовая механика — физика, описывающая взаимодействие атомов и элементарных частиц — подкрепляет теорию так называемой мультивселенной.

Невен указывает на лежащий между нами диктофон и объясняет, что мы наблюдаем лишь одну из версий этого устройства, при этом где-то есть и другие, но мы их не воспринимаем. По словам Невена, это касается не только диктофонов, но и всех физических объектов. Он говорит: «У нас с вами тоже есть альтернативная конфигурация в параллельной вселенной».

Невен, который говорит с сильным немецким акцентом и носит кроссовки Christian Louboutin с шипами, возглавлял ряд революционных проектов Google — от ПО для распознавания образов до очков Google Glass, ставших одним из первых компьютерных устройств, надевающихся на голову. Сейчас перед ним стоит самая сложная за его карьеру задача: построить компьютер, основанный на законах квантовой механики.

Объяснить квантовую механику в двух словах невозможно, но если все же попытаться, это будет звучать примерно так: ученые доказали, что атомы могут существовать сразу в двух состояниях — это явление называют суперпозицией. Например, один атом может находиться в двух местах одновременно.

При этом суперпозиция масштабируется — поскольку все знакомые нам предметы состоят из атомов, некоторые физики предполагают, что в нескольких измерениях могут существовать целые объекты, а следовательно, считает Невен, можно сделать вывод о возможном существовании параллельных вселенных.

Даже Альберту Эйнштейну эта теория не далась — в свое время нобелевский лауреат заявил, что у нее есть фундаментальные недостатки. Впрочем, с тех пор ученые не раз ее доказали.

И именно от квантовой механики стоит ждать следующей революции в области вычислительной техники. В небольшой лаборатории рядом с калифорнийской Санта-Барабарой Невен и два десятка физиков из Google используют квантовую механику для создания компьютера с невероятным вычислительным потенциалом — в перерывах между работой облачаясь в гидрокостюмы и отправляясь серфить на океан. Надежный полномасштабный квантовый компьютер перевернет самые разные отрасли, от искусственного интеллекта до химии, ускорит развитие машинного обучения и поможет разработать новые материалы, химикаты и лекарства.

Физик Виджай Панде, партнер венчурной компании Andreessen Horowitz, финансировавшей стартап Rigetti Computing, занимающийся квантовыми вычислениями, говорит: «Если это сработает, весь мир изменится».

Другие специалисты, особенно из академических кругов, выражаются более осторожно.

Скотт Ааронсон, глава Центра квантовой информации в Университете штата Техас в Остине, говорит: «Это не просто быстрый компьютер привычного нам типа — это принципиально новый способ использования сил природы для проведения вычислений. Люди спрашивают: „Он в тысячу раз быстрее? В миллион?“ Все зависит от конкретной задачи. Какие-то вещи, которые сейчас занимают целую вечность, он сможет сделать за минуту, а в других случаях даст лишь небольшой выигрыш — или совсем никакого».

Почти тридцать лет такие машины считались фантастикой — всего несколько лет назад ученые прогнозировали, что крупные и надежные квантовые компьютеры удастся создать только лет через двадцать.

Скотт Тоцке, исполнительный директор Isara Corp., компании, разрабатывающей шифрование, устойчивое к взлому квантовым компьютером (им должен легко даваться взлом существующих методов), говорит: «Такого больше не услышишь. Да, мы в самом начале пути, но этап научной фантастики точно пройден».

В создании таких машин соревнуются множество компаний и университетов по всему миру, но, судя по всему, лидирует в этой гонке именно Google. В начале следующего года квантовый компьютер компании столкнется с проверкой в виде сложнейшей вычислительной проблемы, на решение которой у классического компьютера ушел бы миллиард лет. В случае успеха это будет переломный момент, наступление так называемого «квантового превосходства» — квантовый компьютер впервые даст человечеству новые возможности. Ученые говорят, что это конец классической эры — и начало чего-то нового.

Классические компьютеры, например наши ноутбуки и телефоны, хранят и обрабатывают информацию в виде битов, имеющих значение 1 или 0. Биты реализованы в виде транзисторов, переключающихся между положениями «включено» (то есть 1) и «выключено» (то есть 0). Таким образом, для вашего iPhone каждое касание экрана пальцем, селфи или хит Рианны — это просто длинная последовательность нулей и единиц.

Квантовые биты или кубиты используют суперпозицию для существования в обоих состояниях одновременно — это одновременно ноль и единица. В классическом компьютере биты похожи на монеты, лежащие орлом или решкой, а кубит — это что-то вроде монетки, подброшенной в воздух и вращающейся, показывая обе стороны.

Это позволяет кубитам кодировать и обрабатывать больше информации, чем битам. И не просто больше, а гораздо больше — по мнению ученых, современные мощные ноутбуки ближе гораздо ближе к счетам, чем к квантовым компьютерам. Вычислительная мощность центра обработки данных размером в целый квартал теоретически может быть достигнута квантовой микросхемой размером с точку в конце этого предложения.

Все дело в экспоненциальном росте: добавление одного бита увеличивает вычислительную мощность классического процессора на ничтожно малую величину, в то время как добавление кубита удваивает мощность квантовой микросхемы. 300-битовый классический процессор аналогичен простейшему калькулятору, а 300-кубитовый квантовый компьютер будет иметь мощность, аналогичную традиционному компьютеру с числом бит равным двойке с 90 нулями, а это число превосходит количество атомов во Вселенной.

Классические компьютеры обрабатывают информацию в виде битов, равных нулю или единице, в квантовых же компьютерах используются кубиты, которые могут быть нулем и единицей одновременно. Это позволяет кубитам при решении определенных задач обрабатывать гораздо больше информации, особенно когда их много, поскольку каждый дополнительный кубит удваивает мощность квантового компьютера, и этот экспоненциальный рост приводит к огромному увеличению вычислительной мощности.

Впрочем, такое сравнение работает только на некоторых вычислительных задачах — напрямую сравнивать биты с кубитами нельзя, ведь квантовые и классические компьютеры — это слишком разные устройства. В отличие от классических компьютеров, квантовые не перебирают все возможные решения проблемы, вместо этого они используют алгоритмы для отбрасывания вариантов, ведущих к неверным ответам — и эти алгоритмы работают только для проблем определенного рода. В результате квантовые компьютеры непригодны для повседневных задач вроде серфинга в интернете, так что квантового iPhone ждать не стоит. Зато они могут решать специальные и очень сложные задачи вроде моделирования новых молекул для создания более легких самолетов, более эффективных препаратов и более емких батарей.

Кроме того, квантовые компьютеры часто совершают ошибки, что дало некоторым ученым повод посчитать их бесполезными. Google и другие компании отвечают на это, что решение состоит в использовании алгоритмов исправления ошибок, но для работы этих алгоритмов требуются дополнительные кубиты для проверки работы кубитов, выполняющих собственно вычисление. При этом некоторые эксперты считают, что для проверки работы одного кубита потребуется еще 100.

Ничего не понимаете? Вы не одиноки. Недавно основатель Microsoft Билл Гейтс в интервью The Wall Street Journal сказал, что проект квантовых вычислений — «это один из отделов компании, презентации которого я совершенно не понимаю».

А Ричард Фейнман, физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии, когда-то сказал так: «Думаю, можно смело сказать, что квантовую механику не понимает никто».

При этом Фейнман одним из первых заговорил о возможности создания квантового компьютера. В лекции 1981 года он сказал, что для физического моделирования потребуется компьютер, основанный на природных принципах или квантовой механике. Он заявил: «Черт возьми, природа не подчиняется „классическим принципам“. Если нужно моделировать природу, придется обратиться к квантовой механике».

После этого в течение двадцати лет ученые безуспешно пытались создать машины, о которых говорил Фейнман. Кубиты оказались чрезвычайно хрупкими и непостоянными. Они могли поддерживать суперпозицию — состояние, которое и обеспечивает их огромную вычислительную мощность — всего несколько наносекунд, то есть миллиардных долей секунды, при этом едва заметное изменение температуры или какая-нибудь молекула, содержащаяся в воздухе, могли ее нарушить.

Исследователь из IBM Джерри Чоу как-то сказал: «Это похоже на попытку поставить яйцо на кончик иглы. Сделать это, конечно, можно, но любой шум, тепло, вибрация — и вы получите яичницу».

Впрочем, за последние пять лет ученые научились балансировать «с яйцом» гораздо лучше, и бизнес тут же пришел с инвестициями — исследования начали Google, Microsoft, IBM, Intel и другие гиганты. Кроме того, появились и потенциальные клиенты.

Например, Volkswagen тестирует квантовые компьютеры производства канадской фирмы D-Wave Systems. В марте специалисты компании заявили о создании алгоритма, который, используя данные GPS от 10 тыс. пекинских такси, рассчитывает самый быстрый маршрут в аэропорт, минимизируя пробки. При этом выполнение задачи заняло у классического компьютера 45 минут, а квантовый решил ее за долю секунды.

Звучит здорово, казалось бы, это победа для D-Wave. Но этот компьютер под названием 2000Q стоит 15 млн долларов и полезен только для определенных задач анализа данных, к которым относится и тест Volkswagen. Хотя 2000Q состоит из 2 тыс. кубитов, ученые предупреждают, что эту цифру не стоит сравнивать с параметрами машин общего назначения, вроде той, что делают в Google — их устройство не достигло пресловутого «квантового превосходства». Президент D-Wave Бо Эвальд поясняет, что 2000Q не предназначена для получения наилучшего ответа — скорее, она дает удовлетворительный ответ, зато очень быстро.

Не всем нужны полномасштабные и точные квантовые компьютеры. Все, что связано с денежными транзакциями и текстовыми сообщениями, шифруется алгоритмом, использующим факторизацию или обратное умножение. Огромное число — несколько сотен цифр — выступает в качестве замка на зашифрованных данных, а два его простых множителя — это ключ. Эта так называемая криптография с открытым ключом используется для защиты медицинских записей, онлайн-транзакций и огромного количества других конфиденциальных данных, потому что для поиска этих двух множителей потребуется год работы классического компьютера, Квантовый же теоретически может это сделать почти мгновенно.

Бизнес и правительства готовятся к моменту появления крупномасштабного и точного квантового компьютера — некоторые эксперты считают, что это произойдет в 2026 году. Когда это случится, наши зашифрованные соединения могут стать уязвимыми.

В прошлом году Агентство национальной безопасности США издало распоряжение о том, что сотрудники и поставщики организации «в недалеком будущем» должны начать пересмотр используемого подхода к шифрованию с учетом угрозы появления квантовых компьютеров. Поскольку информация о национальной безопасности должна быть защищена на десятилетия вперед, агентство считает, что новое шифрование должно быть внедрено до появления этих машин. В противном случае, предупреждает АНБ, это станет катастрофой для безопасности США.

Впрочем, правительство не только обороняется. По сообщению Washington Post, опубликованные в 2013 году Эдвардом Сноуденом документы показали, что АНБ строит собственный квантовый компьютер в рамках исследовательской программы «Взлом защищенных целей». Он стоит 80 млн долларов. Как далеко АНБ продвинулось на этом пути, пока непонятно. Представители Агентства отказались от комментариев.

Сегодня главный импульс квантовой гонки — коммерческий потенциал технологии. Эксперты считают, что прежде всего от появления таких машин выиграют две быстрорастущих отрасли — машинное обучение и машинный интеллект. В частности, Хартмут Невен из Google прогнозирует, что через 10 лет все компьютерное обучение будет работать на квантовых компьютерах.

В начале этого года соперничество усилилось. В мае IBM представила чип с 16 кубитами, что стало важным достижением в создании квантовых компьютеров общего назначения. Днем ранее вышло интервью с Джоном Мартинисом, главой отдела квантовых аппаратных решений Google, где он сообщил, что у Google есть 22-кубитовая микросхема.

Сегодня процессоры Google заморожены внутри высокотехнологичных криостатов в лаборатории компании в Санта-Барбаре — это подразделение квантового проекта Невена, находящегося в Лос-Анджелесе. Офис напоминает продолжение кампуса близлежащего Калифорнийского университета — тут и площадки для отдыха, и столы для настольного тенниса. Руководит офисом профессор университета Мартинис, а многие сотрудники — его выпускники. Совещания часто прерывает появление лабораторной собаки — смеси померанского шпица с той-спаниелем по кличке Кубит.

Несколько дней назад Даниэль Санк и Амит Вайнсенчер, недавно защитившие диссертации в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, подвели меня к блестящему криостату в углу лаборатории — поскольку частицы теряют суперпозицию при малейших помехах, квантовые компьютеры должны быть

очень качественно изолированы от внешнего мира. На внешней поверхности криостата, выполненной из мю-металла — магнитного сплава, блокирующего магнитное поле Земли — красовалась надпись: «Классический компьютер у меня тоже есть».

Внутренний объем криостата охлаждается до температуры -273,11 ? при помощи сжатого гелия и жидкого азота, поступающих из расположенного рядом покрытого инеем резервуара — это лишь на сотые доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре обеспечивается высокая электропроводность, необходимая для выполнения вычислений при помощи кубитов Google. «Если эту раму толкнуть, можно увидеть, как сразу поднимется температура на термометре, — говорит Вайнсенчер и бьет по антивибрационной конструкции, поддерживающей криостат над землей. И добавляет, — наверное, не надо так делать».

Квантовые компьютеры так дороги и сложны в производстве, что, скорее всего, Google и другие организации будут продавать их вычислительные ресурсы в виде облачного сервиса с посекундной тарификацией.

Сегодня команда Невена в Южной Калифорнии приближается к завершению 49-кубитового чипа, который, как они надеются, достигнет «квантового превосходства» и откроет новую технологическую эру — где компьютеры будут использовать немыслимо сложные законы природы, а не преобразовывать мир в единицы и нули.

«В этом компьютере нет транзисторов, — говорит Невен. — Это совершенно другой зверь — настоящий уроженец мультивселенной».

Подготовила Евгения Сидорова