Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир

Квантовый компьютер будоражит умы ученых давно, он еще в 2014 году успел засветиться на обложке Time. Там же было написано: «Они могут помочь человечеству в решении самых сложных проблем, их поддерживают Джефф Безос, NASA и ЦРУ, каждый из них стоит по $10 000 000 и работает с охлаждением почти до абсолютного нуля — и никто в действительности не знает, как они работают».

Джефф Безос — глава Amazon.com, абсолютный ноль находится на отметке -459,67°F, а утверждение «никто в действительности не знает, как они работают» — чистая правда.

Внешне эти компьютеры могут показаться обычными, при условии, что они собраны и скомпонованы, а могут выглядеть крайне странно:

Но даже если дизайн кажется знакомым, не обольщайтесь — внутри вас ждет совершенно непонятная система.

Идея квантового компьютера впервые высказана советским ученым Юрием Маниным, чуть позже независимо и более четко сформулирована Ричардом Фейнманом. Суть парадигмы квантовых вычислений сводится к использованию квантовых систем, состояния которых могут принимать любое из возможных значений. Это называется суперпозицией, и именно она помогает квантовым компьютерам работать так быстро. Рассмотрим принцип их работы повнимательнее. Не волнуйтесь, если чего-то не поймете. Всегда держите в голове обложку того номера Time и тот факт, что квантовая механика вообще относится к одному из самых сложных разделов физики.

Картинки, музыка и игры в компьютере сводятся к набору нулей и единиц, двум строго определенным значениям — «Есть сигнал» и «Нет сигнала». Используется двоичная система счисления, где бит — единица информации. В квантовых компьютерах подход другой, для его работы используются кубиты. Классический пример для понимания разницы между битами и кубитами: когда монета лежит на столе, то это либо орел либо решка, но мы не знаем, что она показывает во время вращения — там может быть любое доступное значение. Чтобы узнать точно, мы должны остановить монетку, то есть сделать наблюдение. Лежащая на столе монета — классический бит, вращающаяся — тот самый кубит. Еще можно вспомнить популярного кота Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку. Выходит, что кот находится в суперпозиции, как и кубиты. Квантовая природа последних наделяет их любопытными свойствами.

Что такое кубит? Возьмите один атом, максимально зафиксируйте его и постарайтесь оградить от любых внешних воздействий. А затем соедините с другим таким же атомом специальной квантовой связью. Схема очень упрощенная, но именно так и получают кубиты. Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов. На квантовый компьютер влияют космические лучи, колебания температуры и прочие физические явления. Такой шум выводит систему из суперпозиции — и квантовый компьютер, фактически, перестает работать. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. Но даже так результаты их работы нужно перепроверять, ведь они дают верный ответ лишь с определенный вероятностью.

Классический закон Мура гласит, что вычислительная мощность компьютеров экспоненциально возрастает каждые два года, а стоимость их при этом равным образом снижается. Он уже неоднократно был пересмотрен, и есть мнение что в ближайшие годы станет неактуален. Но он не является ошибкой — закон Мура прекрасно работал все это время с классическими транзисторными компьютерами, а на текущий момент мы подошли к физическому ограничению (о нем и сам Мур говорил). Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения. Один из них дает квантовая физика.

Квантовые компьютеры не создаются для замены привычных транзисторных. Рассматривайте их как самостоятельное ответвление: компьютер на вашем столе все еще отлично справляется со сложением, умножением и делением. Но он не сможет взломать сложный шифр, плохо справляется с задачами оптимизации поиска или моделированием действительно сложных физических систем. О последнем еще в 1981 году заявил все тот же Ричард Фейнман, отметив, что квантовую природу нашего мира невозможно реалистично смоделировать на обычных компьютерах. Итак, квантовые компьютеры ориентированы на сложные расчеты.

Но что конкретно они дадут человечеству? Возможно, мы научимся моделировать ДНК, взломаем существующие шифры и сделаем бессмысленными современные системы шифрования. Создадим принципиально новые материалы и лекарства, качественно другой ИИ, получим возможность быстро работать с гигантскими базами данных. О том, насколько сильно квантовые компьютеры изменят наш мир, можно судить по термину «квантовое превосходство» — способность квантовых компьютеров решить задачи, которые обычным компьютерам либо неподвластны, либо требуют тысячи лет на просчет. Квантовые компьютеры позволят делать то, что раньше было немыслимо. Для получения квантового превосходства требуется создать 49-кубитный компьютер.

В конце августа 2019 года специалисты компании Google подготовили доклад Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor о достижении квантового превосходства — созданный ими компьютер за 3 минуты 20 секунд делает расчет, на который мощнейший в нашем мире компьютер Summit от IBM потратит около 10 000 лет. Отчет был опубликован на сайте NASA — но спустя некоторое время его удалили (сейчас его можно посмотреть на сайте Nature). IBM отреагировала и в своем блоге оспорила утверждение о 10 000 лет, которые потребуются Summit для выполнения такого же расчета — специалисты компании посчитали, что суперкомпьютеру понадобится примерно два с половиной дня. А расчет будет в разы надежнее. Еще ряд ученых не восприняли отчет Google из-за абстрактности проводимых их квантовым компьютером расчетов — практического смысла в решенной задаче они не увидели. Представитель Google ответил на публикацию IBM, сказав, что они уже вышли на совершенно иную по отношению к классическим компьютерам траекторию и готовы выслушать предложения по улучшению своей системы если они «будут протестированы на их суперкомпьютере».

Почему отчет с описанием эксперимента так быстро удалили с сайта NASA? Издательство Fortune предположило, что документ по ошибке опубликовали слишком рано. Вероятно, требовалось длительное изучение и анализ полученных результатов. Но вся эта история показывает, что мы приблизились к распространению квантовых компьютеров — уже в следующем десятилетии они могут стать широко доступны для научных исследований.

Над квантовыми компьютерами работают не только Google и IBM: есть свои разработки у Intel и Alibaba, появляются стартапы вроде Rigetti. Многие компании размещают мощности имеющихся квантовых компьютеров в облаках, а затем дают к ним доступ университетам и бизнесу: есть это все у тех же IBM и Alibaba, Amazon и D-Wave System. Условия получения доступа у всех разные: в Amazon познакомиться с квантовым компьютером могут корпоративные клиенты, а канадцы из D-Wave дают бесплатный доступ на минуту вообще всем желающим.

Идеи квантовых вычислений поддерживаются в ряде стран на государственном уровне: в США в 2018 году приняли законопроект о Квантовой инициативе, схожая инициатива существует в Европе с 2016 года, в Китае уже в 2020 году планируют запустить исследовательскую лабораторию, на которую правительство выделило около миллиарда долларов. В рамках подобных программ ведется работа над созданием квантовых компьютеров, защищенных квантовым шифрованием каналов связи и сложных физических симуляций.

В России работа над квантовыми технологиями ведется квантовым консорциумом (сюда входит Фонд перспективных технологий, МГУ им. М. В. Ломоносова, «ВЭБ Инновации» и ряд других организаций). Цель консорциума — создать 50-кубитный компьютер к 2021 году.

Когда-то люди изобрели колесо — и изменили свою жизнь навсегда. Затем полет братьев Райт научил людей летать, а выросший из ARPANET интернет вместе с компьютерами увеличил нашу производительность и дал человеку доступ ко всем знаниям мира. Затем люди сделали доступ к знаниям круглосуточным, поместив в свои карманы и рюкзаки смартфоны с мобильным интернетом. После каждого изобретения наша жизнь менялась шаг за шагом, а сейчас мы на пороге прыжка — квантовые компьютеры не просто откроют нам новые возможности привычного мира. Они откроют нам новый мир.