Призрак Бэббиджа гуляет по миру

Шёл 1822 год. Недавно свет увидела потрясающая диковинка, называемая ныне «Малой Разностной Машиной». В Лондонском Королевском Обществе она вызвала необычайный фурор. Теперь для решения сложных логарифмических уравнений не требовались десятки лаборантов и постоянная перепроверка их расчётов на предмет малейшей ошибки. Их работу теперь мог выполнять один арифмометр, умещавшийся на письменном столе! Видя столь оглушительный успех, Сэр Чарльз Бэббидж, её создатель, не собирался останавливаться на достигнутом.

В его голове уже сидела новая прорывная идея: Создать такую вычислительную машину, которая не ограничивалась бы выполнением набора заранее заданных операций, но могла бы позволить решить любую вычислительную задачу после предварительной настройки. Позже такую настройку назвали программированием. И тогда вновь закипела работа. Пока Сэр Бэббидж напряжённо работал над чертежами новой машины, его ассистент графиня Ада Лавлейс разрабатывала для неё инструкции. Тогда в мире родилось программирование.

К сожалению, Чарльз Бэббидж так никогда и не увидел своё творение в металле. Несмотря на затраченные усилия и деньги, технологии того времени не позволяли создать такое чудо. Но дело его жило, и через 70 лет после его смерти появилась на свет вычислительная машина Марк I, созданная на основе его чертежей. И с тех пор то, что мы теперь называем компьютером, начинает победное шествие по планете: сначала в военной среде, потом, с возникновением ламповых компьютеров – в университетах и академиях наук, и, наконец, с развитием полупроводниковой техники появился персональный компьютер, без которого жизнь большинства людей развитых стран и представить себе нельзя.

К чему все эти лирические размышления? К тому, что скоро нам предстоит увидеть столь же значительную революцию в вычислительной технике, какую в своё время задумывал Бэббидж относительно своего времени. Десятки лабораторий по всему миру трудятся над созданием квантового компьютера, который за пару за пару мгновений сможет справляться с любыми вычислительными задачами, неподвластными самым мощным классическим компьютерам, в том числе и тем, что ещё даже не были созданы.

Что ж это за зверь такой – квантовый компьютер? Как это так, квантовый? Как кот Шредингера в коробке – живой и не живой одновременно? Можно сказать и так. Рассмотрим, для начала, элемент привычного нам классического компьютера. Каждый из них имеет то или иное физическое состояние (будь то положение ротора у механического компьютера, или напряжение на конденсаторе — у электрического), соответствующее некоему числу – обычно это либо ноль, либо единица. Ранее применялись и троичные, и даже десятичные системы - сути это не меняет. Такой элемент называется «бит». В квантовых компьютерах тоже есть элементы, аналогичные битам. Они так и называются: «кубиты» то есть квантовые биты. Чем они отличаются от обычных?

Тем, что они, подобно коту, который и жив, и мёртв, принимают и «ноль», и «единицу» одновременно! На деле всё это не совсем так, просто мы не знаем и не можем с точностью узнать, ноль он всё-таки или единица. Ну и что нам это даст? Как нам с такой диковинкой работать, если мы даже не знаем, чему оно, чёрт возьми, равно? Подождите, не спешите разочаровываться.

Да, мы не можем абсолютно точно сказать, ноль это в данный момент времени или всё-таки единица. Но мы можем сказать, с какой вероятностью этот самый кубит принимает значение «0», а с какой – «1», и, соответственно, в итоге оперируем мы не цифрами, но этими самыми вероятностями. Легко видеть, что информации кубит несёт в себе гораздо больше, чем обычный бит. Если бит принимает одно из двух (или нескольких в случае более сложной логики) значений, то у кубита значений тех самых вероятностей может быть сколько угодно. То есть кубит несёт потенциально бесконечный объём информации.

А это вообще возможно? Более чем. Уже реализованы в металле квантовые компьютеры, выполняющие определённые задачи – и справляются с ними в миллионы раз лучше и быстрее, чем компьютеры классические. Более того, такие компьютеры уже стоят на вооружении такого гиганта, как Гугл. И ныне уже стоит задача создания универсального программируемого квантового компьютера. Дело уже дошло до создания языка программирования под квантовый компьютер, однако технологический процесс для этого ещё не до конца отлажен. По сути, квантовые компьютеры сейчас стоят на той же точке, на которой Бэббидж застал своё творение.

Дело в том, что создавать отдельные кубиты и даже связки кубитов, достаточные для выполнения некоторых задач, люди уже умеют, но для полноценно работающего квантового компьютера нужно связать между собой около тысячи кубитов. И здесь уже стоит проблема – связать между собой такое число кубитов, чтобы при этом они могли взаимодействовать между собой и работать как единое целое. Это чрезвычайно точная, энергоёмкая и наукоёмкая работа. Эта проблема сейчас решается, в лабораториях США и даже России уже были созданы квантовые системы, состоящие из более чем сотни кубитов – но до окончательного решения пока ещё далеко.

А доживём ли мы до этого момента? Ведь есть классические компьютеры, они вполне себе развиваются, каждый год выходят новые айфоны – зачем им уступать место компьютерам квантовым? Скорее всего, доживём. Подождать придётся ещё, возможно, десятилетие или два, но, тем не менее, появление в промышленных масштабах квантовых компьютеров – не такая уж и отдалённая перспектива. Более того, через некоторое время создание квантовых компьютеров окажется приоритетной задачей электроники. Да, каждый год мы видим новинки в мире электроники – но они даются всё большей и большей ценой. Сейчас классическая электроника бьётся над созданием элементной базы размеров в 7 нанометров – и никогда ещё до этого электроника не сталкивалась с такими трудностями, как сейчас. С уменьшением размеров элементов всё больше и больше приходится иметь дело с искажениями, свойственными системам такой малости, приходится идти на всё большие ухищрения.

Так вот, когда рубеж в 7 нанометров будет преодолён и работа будет вестись уже над элементами порядка 1 нанометра (что всего на один порядок больше размера атома водорода, мельчайшего из атомов) – тогда эти самые эффекты будут проявляться настолько, что работать с прежним подходом над электронными системами станет уже невозможно. С другой стороны, наличие технологий, способных оперировать с такой малостью системы, облегчит работу над компьютерами квантовыми – и тогда все силы будут брошены на их создание, потому что в противном случае прогресс в этой области, которая в наше время определяет прогресс в принципе, остановится, что является недопустимым для всех. Впрочем, и в том случае для того необходима будет мобилизация как можно большего числа кадров и как можно большего числа средств при достаточно туманной перспективе – большой вопрос, решатся ли на такое капиталисты, и если решатся, то сразу ли. Возможно, этот вопрос следует решать уже тем людям, кто придёт им на смену.

Ну хорошо, допустим, собрали мы квантовый компьютер, наштамповали их как китайцы айфонов, а что дальше? А дальше – резкий прорыв во всех областях жизни. Прежде всего, в наиболее мейнстримных вопросах, стоящих перед нынешними электроникой и программированием. Искусственный самообучающийся интеллект, полноценные роботы-андроиды, виртуальная реальность – с этим всем квантовые компьютеры справятся играючи. Но это лишь вершина айсберга.

Квантовые компьютеры позволят решить и гораздо более фундаментальные задачи. Во-первых, они позволят-таки, наконец, оперировать современными физическими теориями вроде теории суперструн и петлевой квантовой гравитации – их математический аппарат пока что слишком сложен для хоть сколько-то точных расчётов. Во-вторых, они откроют для нас невыполнимые доселе задачи в моделировании. Оперируя таким быстродействием и такой плотностью информации, которую предоставляют нам квантовые компьютеры, мы сможем смоделировать хоть всю историю Вселенной с момента Большого Взрыва! В третьих, квантовые компьютеры изменят до неузнаваемости криптографию, как когда-то это сделали в конце Второй Мировой компьютеры классические. Любой известный ныне классический шифр может быть взломан при помощи квантового компьютера за секунды, непрограммируемые квантовые компьютеры с этим уже великолепно справляются. Но это не означает, что теперь электронные системы не будут иметь никакой защиты. Как это было всегда в истории криптографии, подобный прорыв в криптоанализе рождает не меньший прорыв и в криптографии – вечная борьба взломщика и шифровальщика не может окончиться так просто. Уже также существуют и так называемые квантовые алгоритмы шифрования, взлом которых настолько сложен, что и квантовые компьютеры едва ли способны с ними справиться. Этой теме в любом случае будет посвящена статья.

И, наконец, квантовые компьютеры создадут новые, невиданные ранее возможности для управления экономикой. Почти полвека назад в нищей стране Чили при помощи двух древних компьютеров и ещё более древней системы связи была создана система планирования экономики под названием «Киберсин» (о которой мы вам обязательно ещё расскажем), и она уже тогда успела показать на порядок большую эффективность, чем рыночные механизмы. Если древних, чуть ли ещё не ламповых компьютеров оказалось достаточно для подобной эффективности, то какой эффект окажут компьютеры квантовые, превосходящие их в быстродействии в квадрильоны раз? Этот список можно продолжать долго, но одно мы можем сказать точно – когда будет создан квантовый компьютер, мир уже никогда не будет прежним.

Комментарии: