IBM против D-Wave: наступила ли эра квантовых компьютеров

В начале года IBM объявила о выпуске «первого интегрированного универсального коммерческого квантового компьютера» IBM Q System One. Можно ли сдавать в утиль традиционные вычислительные системы?

Корпорация и ранее предоставляла доступ всем желающим к своим квантовым системам, но они имели меньшую мощность. В Q System One 20 кубитов — элементарных вычислительных единиц, которых теоретически достаточно, чтобы работать со скоростью лучших современных суперкомпьютеров, занимающих сотни квадратных метров, хотя система IBM умещается в кубик со стороной 2,74 см.

Увы, радоваться рано. Некоторые скептики сомневаются, можно ли такой компьютер сделать в принципе, так как для работы универсального квантового компьютера необходимо изолировать систему от внешней среды, а сделать это очень и очень сложно, но необходимо для того, чтобы работали квантовые эффекты. И уж точно IBM не первая, кто представил на рынке «коммерческую квантовую систему» (именно так в официальном анонсе называлась модель Q System One).

Монетизация квантов

Проектирующая квантовые системы компания D-Wave появилась на рынке в 1999 году. Свое первое устройство компания представила в 2007 году, а «первую коммерчески доступную систему», то есть продукт, который могли покупать клиенты, в 2011-м.

Несмотря на впечатляющий список коммерческих и математических достижений D-Wave, с 2007 года не утихают споры, является ли система D-Wave квантовой, дает ли она существенный прирост в скорости, есть ли в нем квантовая запутанность. Например, в 2014 году IBM поставила под сомнение факт, что D-Wave использует квантовые эффекты.

Как бы то ни было, системы D-Wave успешно продаются. Среди клиентов Google, Volkswagen, NASA и другие компании и научные центры. На сегодня самая современная система содержит 2000 кубит, на ней удалось разложить на простые множители число 376 289, что на порядок больше, чем у конкурентов.

Правда, у системы IBM есть кардинальное преимущество перед D-Wave: это квантовый компьютер, а не адиабатический или квантовый вычислитель. Разница не только в словах. Квантовый вычислитель может решать только одну задачу — поиск минимума заданной функции. Он может делать это очень хорошо и потенциально быстрее любого суперкомпьютера стандартной архитектуры. Если такая функция нужна, система становится ценной. Но если ее нельзя применить, она остается учебным пособием.

Квантовый же компьютер можно приспособить для решения любых задач. Например, мечта и боль всех криптографов — разложить число на множители по алгоритму Шора: это открывает путь для быстрого и эффективного декодирования шифров. Для классических алгоритмов это столь сложная задача, что существующим суперкомпьютерам потребуются как минимум годы на вскрытие существующих шифров. Идеальный квантовый компьютер потенциально может это сделать за короткое время. Но речь идет о «сферическом коне в вакууме»: реальные устройства сталкиваются со множеством трудностей в проявлении своих способностей.

Как они работают

Теоретически квантовый компьютер может работать на порядки, в миллиарды раз, быстрее традиционных полупроводниковых. Происходит это за счет того, что квантовый компьютер оперирует не обычными битами, а квантовыми битами или кубитами, причем в особом состоянии, называемом квантовой запутанностью.

Бит, ячейка традиционной системы, имеет состояние ноль либо единица. Кубит имеет сразу состояние ноль и единица, а важнейший параметр (и это самое главное отличие) — вероятность нахождения кубита в состоянии ноль или единица.

Каждый бит в классическим компьютере может нести информацию только сам по себе, в то время как в квантовом компьютере кубиты могут объединяться и находиться в состоянии квантовой запутанности, позволяющей экспоненциально увеличивать их вычислительную мощность. В прошлом году было показано, при каких условиях квантовые системы обгоняют классические.

Когда кубиты находятся в запутанном состоянии, то трех достаточно, чтобы сделать столько же вычислений, сколько с помощью 8-битовой системы. Вообще для того, чтобы сравнить количество сохраняемой информации в квантовом компьютере с обычным, можно воспользоваться формулой: n кубитов = 2 в степени n обычных битов. Например, 3 кубита — 8 битов, 10 кубитов — 1024 бита, 100 кубитов — число с 30 нулями, что соответствовало бы классическому полупроводниковому компьютеру размером с Луну. Традиционные суперкомпьютеры не способны управляться с таким объемом информации: это в 7 млн раз больше, чем будет всего данных на Земле к 2024 году. Отметим, однако, что сравнивать «в лоб» быстродействие классического и квантового компьютера некорректно: эти машины используют принципиально разные алгоритмы, и именно от эффективности конкретного алгоритма зависит скорость того или иного вычисления.

Главное преимущество квантовых компьютеров — одновременная обработка всех нулей и единиц. Теоретически это позволяет решить любую задачу. Но, чтобы информация кодировалась и обрабатывалась в связях между кубитами, каждый из них должен находиться в состоянии квантовой запутанности, а все вместе они должны находиться в так называемом когерентном состоянии. Таким образом, когерентное состояние — одно из главных требований квантовых вычислений. И одна из самых сложных инженерных задач — сохранение когерентности. Как с этим дела у IBM и других разработчиков систем?

Что они умеют

Наиболее перспективные направления использования квантовых компьютеров: новые материалы и моделирование молекул, квантовая криптография, задачи логистики. По состоянию на сегодня прогресс в них невелик.

В области химии использование квантовых компьютеров позволило бы моделировать новые вещества и материалы (лекарства с заданными характеристиками, метаматериалы, обладающие необычными свойствами, например невидимостью в различных спектрах, и т. д.).

В марте 2018 года IBM сообщила, что самая сложная молекула, которую компании удалось смоделировать на квантовом компьютере, — гидрид бериллия BeH2, то есть вещество, у которого всего три атома. Для сравнения: фармацевтические компании работают с молекулами, в которых содержится от 50 до 80 атомов. Для того чтобы моделировать взаимодействие лекарств с клетками организмов, нужно моделировать поведение тысяч атомов.

В криптографии — области, с которой начались вливания средств в исследования, — существуют два основных алгоритма, которые гипотетически позволяют вскрывать классические шифры, такие как RSA, используемый, например, в шифровании банковских транзакций. Это алгоритм Шора, который может работать на универсальных квантовых компьютерах, таких как предлагают рынку IBM и Google, и алгоритм на базе квантового отжига, который работает на D-Wave. Считается, что современный алгоритм шифрования RSA с кодированием 1000-битовым ключом невозможно взломать за обозримое время с помощью подбора на традиционных суперкомпьютерах. Идеальный квантовый компьютер с парой тысяч кубитов взломал бы шифр за короткое время. Однако вернемся в реальность.

Из-за влияния внешней среды на кубиты когеренция между ними нарушается за миллисекунды — вычисления происходят с ошибками. В результате для взлома шифра RSA, содержащего 1000 бит, при достигнутых в современных устройствах временах когеренции алгоритму Шора требуется система, содержащая от 5 до 100 млн кубитов. На сегодняшний день максимальное количество кубитов на универсальном квантовом компьютере составляет 50 у IBM и 72 у Google. Прогресс таков, что на простые множители удалось разложить число 56 153. Это число в двоичной системе содержит 16 битов. Криптографы пока могут спать спокойно.

Наибольшую выгоду от квантовых компьютеров получили бы компании, чей бизнес строится вокруг искусственного интеллекта и машинного обучения. Оказалось, что эти алгоритмы менее требовательны к точности, а вот скорость — критически важная составляющая для того, чтобы быстро предложить вам оптимальный маршрут по загруженному городу или подобрать товар, который вы положите следующим в корзину. Тут намечается прогресс: например, Google реализовал алгоритм поиска общих точек на двух изображениях. Но и в этом случае до промышленного использования квантовых систем пока далеко.

Итоги

IBM построила квантовый компьютер, который все еще несет в себе все возможные ограничения: кубиты не рекордно стабильны, а их самих не рекордное количество. Но зато это полноценный квантовый компьютер, на котором можно разложить шестизначное число на простые множители и проводить другие экспериментальные вычисления при помощи хорошо известных ученым-«датасайентистам» средств.

Можно сравнить современные квантовые компьютеры с ракетными технологиями 1940-х годов: большие создают много шума, в том числе в массовом сознании (вспомним немецкие «Фау-2»), но слишком неточные и неэффективные, чтобы приносить ощутимый эффект. Мало кто в 1940-х осознавал, что ракетам потребуется меньше 15 лет, чтобы выйти в космос. Можно ожидать, что примерно столько же времени понадобится, чтобы квантовые компьютеры из их сегодняшнего состояния «тренировочных игрушек для ученых», как их охарактеризовал главный конструктор компании D-Wave, превратились в эффективные рабочие инструменты.

Эта статья написана при участии руководителя группы «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника» Российского Квантового Центра Алексея Акимова.