Превосходство Google – почему еще слишком рано говорить о квантовых компьютерах?

Если верить публикациям в СМИ последних недель, эпоха классических компьютеров подходит к своему завершению. После публикации пресс-релиза Google, в котором компания утверждает, что достигла феномена, известного как «квантовое превосходство», вечная жадная на сенсации пресса поспешила объявить о конце старых добрых вычислительных машин на основе кремниевых чипов и начала мечтать о ярком кубитовом будущем, в котором каждый из нас ходит с квантовым ноутбуком в руках.

К сожалению (или, возможно, к счастью), реальность фактов совершенно не похожа на гулкие, напыщенные заголовки. Достижение Google, несомненно, является важным шагом вперед в области квантовых компьютеров, но генеральный директор компании Сундар Пичай неслучайно сравнил его с первым полетом братьев Райт. Когда 17 декабря 1903 года Орвиллу впервые в истории человечества удалось оторвать от земли его моторизованный летательный аппарат, он оставался в воздухе всего… 12 секунд. За этим последовали десятилетия напряженной работы, прежде чем авиация стала надежным и широко доступным видом транспорта, который мы все знаем сегодня.

Квантовое… что?

Хотя об этих экзотических машинах, использующих определенные «причуды» квантовой физики, говорили и писали годами, для большинства людей они остаются загадкой. Одна из причин – довольно сложные принципы, лежащие в основе их работы. Обычные компьютеры, которые каждый из нас сегодня носит в кармане в виде смартфона, используют бинарный принцип хранения и кодирования информации. Другими словами, они обрабатывают нули (отсутствие электрического заряда) и единицы (наличие заряда).

Квантовые компьютеры используют базовую единицу, известную как кубит (или квантовый бит). Они создаются с помощью различных физических систем, таких как отдельный атом или фотон. В отличие от классического бита, который как упомянуто выше, может иметь только два значения (0 и 1), один кубит может содержать много разных состояний одновременно – свойство, известное как «квантовая суперпозиция». Различные кубиты находятся в сложной взаимосвязанности, явление, известное как «квантовая запутанность».

В результате этих двух особенностей один квантовый бит может быть нулем и единицей одновременно. Благодаря этому, квантовые компьютеры могут выполнять множество вычислений параллельно, что (по крайней мере, в теории) делает их сравнительно быстрее и эффективнее обычных компьютеров.

Например, для одного стандартного компьютера достаточно восьми битов для кодирования любого числа от 0 до 255. Однако на квантовом компьютере достаточно восьми кубитов для кодирования всех чисел от 0 до 255 одновременно. Таким образом, несколько сотен «запутанных» в квантовой зависимости кубитов могут обработать больше чисел, чем атомов в нашей известной Вселенной.

Именно в этом квантовые компьютеры превосходят обычные компьютеры – когда дело доходит до задач, связанных с отслеживанием огромного набора возможных комбинаций, они могут выполнять необходимые вычисления одновременно, в то время как традиционные компьютеры будут проводить эти расчеты последовательно и проверять их по одному за раз.

Квантовое превосходство

Это именно то, чего достиг квантовый компьютер Google. Построенный компанией массив, включающий 54 кубита, был загружен конкретной, строго специфической задачей, которую система решила за 3 минуты и 20 секунд. Это относительно простое (в теории) задание, цель которого состояла в том, чтобы проверить, действительно ли группа чисел распределена случайным образом, т.е. между ними нет никакой зависимости. Согласно Google, у IBM Summit – самого мощного суперкомпьютера в мире, данное вычисление заняло бы около 10 000 лет.

Конечно, IBM поспешили оспорить это утверждение. По их словам, в своих расчетах Google не учитывал общий массив памяти, который Summit мог бы адресовать по мере необходимости. Компания утверждает, что с помощью специально написанного алгоритма их суперкомпьютер может справиться с этой задачей примерно за 2.5 дня.

Однако, поскольку концепция «квантового превосходства» заключается в практическом доказательстве того, что квантовая машина может решить задачу быстрее, чем даже самый мощный классический компьютер, в конечном счете не имеет значения, является ли это вопросом тысячелетий или нескольких дней. Факты убедительны – впервые в истории квантовый компьютер превосходит лучшее, на что способны современные вычислительные технологии на основе кремния. Другими словами, «квантовое превосходство» было достигнуто.

12 секунд в воздухе

Сам Google признает, что достижение квантового превосходства – это только первый шаг к созданию действительно работающей квантовой машины, которая может принести реальную пользу.

Сейчас квантовые компьютеры являются красивым желанием, новой перспективной технологией, которая имеет не просто ограниченное, а нулевое практическое применение. Хорошим примером другого такого научного достижения является т.н. сверхпроводимость. Это широко известное свойство некоторых материалов проводить электричество без сопротивления (т.е. без потери заряда) при воздействии сверхнизких температур – чаще около 30 кельвинов (минус 243,15 градусов по Цельсию).

Проблема заключается в том, что охлаждение сверхпроводника до таких экстремальных значений требует огромного количества энергии – намного больше, чем потенциальные потери, которые может компенсировать его сверхпроводимость. Из-за этого (по крайней мере, на данный момент) большинство вариантов практического применения этой уникальной физической характеристики теряет всякий смысл.

На сегодняшний день ситуация с квантовыми компьютерами очень похожа. Google далеко не единственная технологическая компания, имеющая разработки в этой области. IBM, Microsoft, Intel также экспериментируют со своими квантовыми компьютерами, каждый из которых использует свой принцип работы.

Система Google, например, использует сверхпроводящие кубиты, которые требуют очень низких температур, что делает их массивными и сложными в управлении. В отчете, опубликованном компанией с описанием эксперимента, который привел к квантовому превосходству, говорится, что один из кубитов пришлось деактивировать во время теста, потому что он не функционировал должным образом.

Это общая проблема практически всех существующих квантовых машин. Они чрезвычайно чувствительны и подвержены внешним воздействиям – изменения температуры, электромагнитные поля, даже контакт с молекулами воздуха может привести к потере квантовых характеристик каждого кубита.

Именно по этой причине, Intel, например, инвестирует в разработку как систем, рассчитывающих на сверхпроводимость, так и кубитов, которые работают по принципу управления ориентацией электронов посредством направленных микроволновых пульсаций. Этот вид квантовых машин может работать при чуть более нормальных температурах и, следовательно, может быть более легко интегрирован с существующей электроникой.

Microsoft разрабатывает третий тип систем, известных как топологические массивы кубитов, которые используют особый тип частиц, называемых квазичастицами – пакеты энергии с поведением частиц. Проблема в том, что этот чип частиц по-прежнему строго теоретический и на практике представляет собой новую материю, которую до сих пор никто не сумел создать.

Как видите, единственное общее связующее звено между всеми этими разработками заключается в том, что ни у одного из них нет шансов покинуть научную лабораторию и поселиться в наших домах, как это делали персональные компьютеры около четырех десятилетий назад.

Фактически, квантовые машины могут никогда не стать такими массово доступными и переносимыми, как классические ПК, и навсегда останутся в облаке или в составе больших вычислительных массивов, где они будут работать бок о бок с обычными компьютерами.

От квантового превосходства к квантовому совершенству

Для чего можно было бы использовать коммерчески доступный квантовый компьютер? Одна из особенностей квантовых машин – это то, что они чертовски хороши в выполнении определенных задач и совершенно бесполезны для других.

Их сильной стороной является область расчетов, включающих огромное количество комбинаций, на которые влияют многие случайные факторы. Если вам интересно, где именно вы могли бы найти аналогичные задачи – просто оглянитесь вокруг. Как верно отметил один из самых блестящих физиков нашего времени – Ричард Фейнман: «Природа не классическая, черт побери, и если вы хотите сделать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической. Это замечательная проблема, потому что это не выглядит так просто».

Возьмем химическую реакцию в качестве примера. Силы, молекулы и частицы, участвующие в ней, находится под влиянием огромного диапазона различных внешних факторов и воздействий. Таким образом, любая попытка искусственно смоделировать химическую реакцию быстро приводит к порождению практически бесконечного множества различных комбинаций, которые могут поставить на колени даже самый мощный ПК.

Тем не менее, это не будет проблемой для квантового компьютера. Согласно Microsoft, для моделирования поведения одной молекулы воды может потребоваться более 16 000 бит при использовании обычного компьютера, тогда как квантовый массив может выполнять такое же количество операций только с 24 кубитами. Это означает, что будущие квантовые компьютеры с количеством кубитов от нескольких сотен до нескольких тысяч смогут начинать исследования в области химического синтеза на десятилетия вперед. С их помощью многие используемые в настоящее время производственные процессы (например, для разработки искусственных удобрений) могут быть значительно оптимизированы, сделаны несравненно дешевле и более энергоэффективны.

Квантовые компьютеры могли бы помочь нам лучше понять другие природные явления, которые в настоящее время известны и хорошо описаны, но их сущность, их особый принцип действия все еще ускользает от нас. Мы уже упоминали один такой пример – явление сверхпроводимости.

Конечно, возможные области применения до сих пор столь же расплывчаты и трудно предсказуемы, как и будущее самих квантовых компьютеров. Оглядываясь не так далеко назад во времени, когда вычислительные машины разрабатывались с очень конкретной задачей – использовать их для расшифровки нацистских военных кодов во Второй мировой войне, вряд ли  даже такой гений, как Алан Тьюринг, мог предсказать, что менее чем через полвека у каждого из нас будет крошечный карманный компьютер, намного более мощный, чем его электро-механическая «Бомба».

В любом случае, квантовым компьютерам предстоит пройти долгий, очень долгий путь, прежде чем они превратятся из концептуально интересных, но дорогих и непрактичных научных игрушек в настоящий, практически полезный инструмент.

Даже самые оптимистичные прогнозы ученых и инженеров, работающих в этой области, утверждают, что это может произойти не раньше, чем через два-три десятилетия. До тех пор старые добрые машины на основе кремниевых микросхем будут оставаться нашим основным инструментом для выполнения сложных расчетов.

Метки: Google, Квантовая механика, Квантовые компьютеры, Компьютеры