К сожалению, сайт не работает без включенного JavaScript. Пожалуйста, включите JavaScript в настройках вашего броузера.

Новости

Реклама на Forbes

Игрушки с перспективой: на что способны новейшие квантовые компьютеры

Коаксиальные кабели (Фото IBM)
Сразу две технологические компании заявили о создании квантовых компьютеров с принципиально новыми характеристиками. На что способны эти машины и скоро ли гонка кубитов принесет практический результат?

16 ноября компания IBM презентовала новый квантовый компьютер с рекордным числом квантовых битов (кубитов): 127. В пресс-релизе компании заявляется, что работу этого квантового чипа невозможно смоделировать на обычном компьютере. Число битов, которые потребовалось бы для этого классической ЭВМ, превышает суммарное количество атомов во всех людях, населяющих земной шар. Чтобы это сравнение стало более наглядным, вспомним, что в одном лишь стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане или галактик в видимой Вселенной.  

Уже на следующий день стартап QuEra Computing Inc. объявил, что закончил работу над квантовым компьютером из 256 кубитов (научная статья об этой разработке появилась в журнале Nature еще в июле). Специалисты QuEra планируют в течение двух лет довести число кубитов до тысячи, а в перспективе — до сотен тысяч, и все это без особых изменений в архитектуре. Стартап привлек  $17 млн инвестиций от компаний Rakuten, Day One Ventures, Frontiers Capital, а также частных инвесторов — основателя Acronis Сергея Белоусова и бывшего топ-менеджера Microsoft Пола Марица.

Сотрудники QuEra эффектно продемонстрировали работу своего компьютера. Они заставили кубиты, выстроенные в виде прямоугольника, воспроизводить анимацию с Марио — легендарным персонажем компьютерных игр. Но, конечно, квантовые компьютеры — это не игрушка, а вычислительная техника завтрашнего дня. Или нет? 

Реклама на Forbes

Призрак превосходства

Современная экономика немыслима без мощных компьютеров. При этом даже лучшие из них зачастую пасуют перед задачами, которые ставит жизнь. Выходом могут стать квантовые компьютеры, которые потенциально гораздо мощнее обычных. Это их свойство — пока существующее скорее в перспективе, чем на практике — называют квантовым превосходством (quantum supremacy) или квантовым преимуществом (quantum advantage). 

Дело в том, что квантовые компьютеры иначе хранят и обрабатывают информацию. Классический компьютер имеет дело с битами. Бит имеет только два возможных состояния: 0 и 1, и переходит из одного в другое скачком. Бит похож на рубильник, который либо включен, либо выключен, и третьего не дано. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Это позволяет ему хранить куда больше информации, чем бит. Если сильно упрощать, то можно представить кубит стаканом, в котором может быть любой уровень воды между «пуст» и «полон».

Идея квантовых вычислений была высказана еще в 1980-х. Однако настоящий интерес к ней возник в 1990-е, когда выяснилось, что квантовый компьютер мог бы взламывать самые надежные шифры. Речь идет о RSA-шифровании, которое широко используется для обмена финансовыми и другими конфиденциальными данными. Этот алгоритм основан на том факте, что два больших числа легко перемножить, но крайне трудно разложить произведение обратно на множители. Однако в 1994 году математик Питер Шор показал, что квантовый компьютер (тогда существовавший лишь на бумаге) справляется с такой задачей гораздо быстрее, чем классический. Тот, кто пренебрегает возможностями квантовых вычислений, рискует однажды обнаружить, что все его счета взломаны.

Однако до момента, когда банкам потребуется защита от квантовых взломщиков, еще далеко. Квантовый компьютер, который мог бы соперничать в производительности с обычным ноутбуком, должен иметь, по разным оценкам, от тысяч до миллионов кубитов.

Правда, уже сейчас раздаются заявления о достижении пресловутого квантового превосходства. Первой отметилась корпорация Google, заявившая в 2019 году, что ее 53-кубитное детище Sycamore за 200 секунд решило задачу, на которую у крупнейшего современного суперкомпьютера Summit ушло бы десять тысячелетий. Правда, конкуренты из IBM усомнились в этих цифрах. В 2020 году о достижении квантового преимущества сообщили китайские ученые. Однако, в обоих случаях имело место некоторое лукавство. Классическому компьютеру предлагали соревноваться с квантовым в моделировании квантовых явлений. Поскольку в квантовые машины эти явления встроены на уровне «железа», это было похоже на состязание в плавании между человеком и дельфином. Разумеется, в своей стихии дельфин победит даже олимпийского чемпиона. Но настоящее квантовое превосходство заключалось бы в безоговорочной победе во всех дисциплинах, включая бег и метание молота.

Новые принципы

Почему так трудно создавать квантовые компьютеры с большим числом кубитов? Дело в том, что с точки зрения физики кубит представляет собой объект, живущий по законам квантовой механики. Это может быть, например, отдельный атом, ион или микроскопическое кольцо из сверхпроводника. Такие объекты необычайно хрупки и уязвимы. Малейшее внешнее воздействие разрушает квантовое состояние, в котором находится кубит. Поэтому кубиты требуют изоляции от внешнего мира, вакуума и охлаждения почти до абсолютного нуля, и все равно в их работе то и дело возникают ошибки. Собрать тысячи и тем более миллионы таких капризных элементов в управляемую и отказоустойчивую систему — та еще задача. Некоторые физики (правда, они в меньшинстве) полагают даже, что она никогда не будет решена.

Но, пока глаза скептиков боятся, руки и головы энтузиастов делают. Вот и специалисты QuEra отвергли обычные реализации кубитов (ионы и сверхпроводящие контуры) и опробовали новую (электрически нейтральные атомы).

Всего в нескольких миллиметрах от стенок камеры, имеющих комнатную температуру, сотни атомов зафиксированы в вакууме и охлаждены до температуры, лишь на миллионную долю градуса превосходящей абсолютный нуль (около −273 °C). Эти атомы буквально подвешены в перекрестье лазерных лучей. Лазеры не только удерживают атомы-кубиты от контакта с внешним миром, но и управляют их работой. Когда электрон в атоме поглощает фотон, он приобретает дополнительную энергию и переходит на следующую орбиту, дальше от ядра. В результате атом, так сказать, раздувается. Но только в том случае, если ему не мешает другой раздувшийся атом, находящийся впритык к первому. Так кубиты взаимодействуют между собой.

Эта реализация кубитов лучше альтернатив по нескольким причинам. Например, в отличие от ионов, атомы не отталкиваются друг от друга электрическими силами, поэтому сотни кубитов можно разместить на площадке в доли квадратного миллиметра. Но это решение требует сопутствующих технологий, появившихся только в последние годы.

Специалисты QuEra рассчитывают, что они создали практически полезное устройство, а не просто прототип. Так, новый компьютер может стать подспорьем для физиков в моделировании квантовых систем (как отмечалось выше, этот «навык» квантовые компьютеры уже продемонстрировали). Другое возможное поле для деятельности — квантовая оптимизация. Так называется решение обычных задач оптимизации (например, финансовых и логистических) с помощью математических подходов, позаимствованных из квантовой физики. Квантовый компьютер, воплощающий эту математику «в железе», в принципе может хорошо справляться с этими задачами даже при малом числе кубитов. Но так ли это на самом деле, покажет только практика.

Квантовый шум

Индустрия квантовых вычислений находится в странной промежуточной зоне. На бумаге теоретики смело оперируют миллионами кубитов, разрабатывая вычислительные схемы послезавтрашнего дня. Практики же, которым приходится воплощать эти идеи в реальность, едва освоили производство устройств с сотнями кубитов. Эксперты называют нынешний технологический этап эпохой шумных квантовых процессоров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, или NISQ). Средний масштаб — это десятки или сотни кубитов. Слово «шумный» отражает тот факт, что системы все еще работают неустойчиво из-за внешних помех, переключающих кубиты когда и как вздумается. 

Как извлечь максимальную пользу из NISQ-устройств — тема обширных дискуссий. Работа таких систем еще далека от надежности. Неудобств добавляет то, что проанализировать ее с помощью классических компьютеров уже трудно (вспомним пример с числом атомов в семи миллиардах человек). С другой стороны, эти машины, кажется, уже умеют кое-что недоступное классическим компьютерам. Игнорировать эти возможности было бы расточительно.

Подходить к решению этой проблемы можно по-разному. Например, специалисты Google делают ставку на симбиоз квантовых и классических компьютеров. Квантовый компьютер выдает результат, загрязненный помехами и вычислительными ошибками. По сути, отмечают эксперты компании, перед нами классическая задача отделить полезный сигнал от случайного шума. А в ее решении вполне преуспели привычные компьютеры, и особенно искусственные нейронные сети. В 2020 году Google презентовала библиотеку программ TensorFlow Quantum для интеграции квантовых компьютеров с классическими. В числе прочего этот инструмент позволяет использовать искусственный интеллект для «подчистки» результатов работы квантового компьютера. Библиотека распространяется свободно и имеет открытый исходный код. Кроме того, она интегрирована с платформой Cirq, также разработанной Google и предназначенной для программирования квантовых компьютеров.

Впрочем, поток многообещающих новостей не должен затмевать простого факта: квантовые компьютеры пока не сделали ничего практически полезного. Может быть, они войдут в нашу жизнь через считанные годы или хотя бы десятилетия. А быть может, этот «квантовый шум» так и не принесет плодов в обозримом будущем.

Мнение автора может не совпадать с точкой зрения редакции

Реклама на Forbes
Перепечатка материалов и использование их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, возможны только с письменного разрешения редакции. Товарный знак Forbes является исключительной собственностью Forbes Media LLC. Все права защищены.
AO «АС Рус Медиа» · 2021