А квант расправил плечи: что означает появление новейшего чипа от Google

Почему так важен Google Willow

Обычный компьютер использует двоичную систему счисления. Все данные он переводит в сочетания знаков «1» и «0» и способен реализовать только эти два состояния, процессор перебирает возможные сочетания нулей и единиц и проверяет, насколько они соответствуют поставленным условиям.

А если обойтись без перебора значений, а получить все возможные варианты одновременно? Традиционные компьютеры на это не способны. Но решить такую задачу можно, если использовать в вычислениях квантовые объекты — кубиты. Они, в отличие от кремниевых ячеек памяти, имеют возможность «суперпозиции»: умеют одновременно находиться в двух состояниях. Если плоский предмет лежит на столе, то мы видим только одну его поверхность. Но если подбросить его так, чтобы он вращался, то обе поверхности будут видны практически одновременно. Примерно так можно представить себе и работу кубитов. Ее результат — чрезвычайно высокие скорости вычислений и возможность решать сложнейшие задачи, недоступные обычным компьютерам.

Главное достижение Willow — преодоление «проблемы ошибок», истоки которой — в самой природе кубитов. Они сильно зависят от внешних воздействий: изменения температуры, шума, незначительных колебаний. Из-за этого они ошибаются. В квантовых процессорах с небольшим количеством кубитов такие ошибки не всегда критичны, но, когда речь идет о мощных чипах, ошибки накапливаются и это делает их непригодными для вычислений. Поэтому важнейшей технической задачей для создателей квантовых компьютеров стало сокращение числа ошибок в мощных квантовых процессорах до того значения, при котором система сохраняет свою устойчивость и работоспособность.

Решение такой задачи и показала Google. Специалисты компании применили метод квантовой коррекции ошибок, при котором несколько физических кубитов объединяются в один логический кубит. И решение сработало! Для проверки способностей чипа перед ним была поставлена задача, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10 септиллионов лет (число с 24 нулями. — Forbes) — невероятный срок, во множество раз превышающий историю нашей вселенной. А Willow справился с ней за пять минут. Этот опыт доказал, что кубиты могут сохранять устойчивость, даже если их число в процессоре превышает сотню — за предыдущие 30 лет работы над квантовыми компьютерами достичь таких результатов еще никому не удавалось.

Означает ли успех Google, что мы вступаем в эру практического применения квантовых компьютеров? Нет, говорить об этом еще рано. Ведь реальных прикладных задач для квантовых вычислений пока просто не существует. Все существующие квантовые компьютеры, и Google Willow не исключение, предназначены только для демонстрации возможностей квантового компьютинга. А именно — скорости решения сложнейших вычислительных задач, на выполнение которых обычным компьютерам требуются годы и даже века.

Да, технологические гиганты уже предоставляют доступ к квантовым вычислениям через облачные системы. Платформа IBM Quantum Experience дает возможность воспользоваться квантовыми процессорами корпорации. Amazon Braket предлагает получить доступ к квантовым компьютерам разных производителей (D-Wave, IonQ и Rigetti). Квантовые вычислительные ресурсы Microsoft и ее партнеров доступны на платформе Azure Quantum. Но все эти сервисы позволяют решать только одну задачу: разработку и тестирование квантовых алгоритмов. И круг их пользователей ограничен пока учеными и энтузиастами.

Тем не менее, даже существование таких облачных сервисов — уже огромное достижение, бесценная возможность, ведь такие вычислительные мощности недоступны разработчикам, ученым и большинству организаций. А при разработке сценариев применения квантовых технологий без них не обойтись.

Успешный опыт работы Willow — гигантский шаг вперед. Он показал, что при квантовых вычислениях результат может быть предсказуемым, понятным и проверяемым, с чем раньше как раз и были связаны основные проблемы, ведь кубитам свойственно ошибаться. И это обстоятельство позволяет ожидать (пока только ожидать), что в скором времени речь пойдет о решении при помощи квантового компьютера не только теоретических, но и вполне практических задач.

Где будут применяться квантовые компьютеры

Суть задания, которое инженеры Google предложили Willow, нам неизвестна. Также пока неизвестны их планы относительно того, чем занять этот компьютер на следующем этапе. Однако можно предположить, что практическая работа вначале будет касаться наиболее сложных научных задач. Именно здесь квантовые компьютеры могут многократно ускорить работу и привести к открытиям, которые пока невозможны из-за того, что требуют чрезвычайно много времени для расчетов.

Есть и практические области, которые уже сегодня представляются перспективными для применения квантовых компьютеров. В финансовой сфере с их помощью можно было бы оптимизировать портфели активов, просчитывать риски, повышать точность прогнозов. Производству квантовые вычисления обещают радикальное сокращение издержек за счет практически безошибочного моделирования процессов. В логистике при помощи квантовых компьютеров удастся решить сложнейшую вычислительную задачу по выстраиванию наиболее оптимальных маршрутов и цепочек поставок. Широчайшие перспективы ждут здравоохранение и фармацевтику: разработка новых лекарств и индивидуализированных программ лечения. Наконец, революцию могут совершить найденные при помощи «кванта» эффективные источники энергии, создание высокоэффективных батарей и экологически чистой транспортной инфраструктуры.

Как будут использоваться квантовые компьютеры

Представить себе квантовый компьютер в виде отдельного, пусть даже очень большого устройства, невозможно. Это сложнейший прибор, для размещения которого требуется здание со специальной инфраструктурой: как уже было сказано выше, кубиты весьма требовательны ко внешним условиям.

Создать такой комплекс по силам только крупнейшим корпорациям с большими инвестиционными возможностями (например, программа по созданию российского 50-кубитного квантового компьютера оценивалась в 24 млрд рублей).  Это означает, что пользователи смогут получать доступ к квантовым вычислениям только через сервисы, организованные и поддерживаемые крупнейшими игроками, — примерно так, как сегодня организуется доступ к ним из облаков IBM, Amazon или Microsoft.

Учитывая схожесть парадигм развития квантовых вычислений и других компьютерных отраслей, можно предположить, что со временем для пользователей квантовые компьютеры будут доступны по тому же принципу, что и современные сервисы ИИ, такие как ChatGPT. То есть для пользователей «черный ящик» квантовых вычислений со временем едва ли принципиально изменится, однако у него появится удобный интерфейс.

Новые технологии — новые риски

Очевидно, что дальнейшее развитие квантовых технологий очень быстро поставит во главу угла и проблему «квантовой безопасности». Как и любая технология, квантовые вычисления могут быть использованы как во благо, так и во вред. Уже сегодня понятно, что с появлением таких компьютеров станут практически бесполезными современные алгоритмы шифрования: любой из них может быть взломан за считаные секунды. И хотя бы поэтому квантовый компьютер, который попадет в распоряжение киберпреступников, станет страшным, смертоносным оружием.

Вместе с тем квантовые вычисления применимы и для разработки новых алгоритмов, устойчивых к квантовым же методам взлома. Считается, что большой потенциал для создания защищенных сред имеют технологии распределения квантовых ключей (Quantum Key Distribution, QKD), которые практически гарантируют невозможность перехвата. И такие решения уже существуют.

Квантовая гонка

Еще одна серьезная проблема, связанная с развитием квантовых вычислений, имеет политический характер. Способность отдельных стран к развитию квантовых технологий и их возможность инвестировать в них могут уже в ближайшем будущем стать критичными. Участие в квантовой гонке обеспечит странам-лидерам первенство во множестве областей, в том числе таких определяющих, как наука и экономика. Напротив, страны, не готовые к участию в этом соревновании, рискуют оказаться в числе безнадежно отстающих.

Группа стран, в которых квантовые технологии развиваются наиболее активно, уже определилась. Это — США, Китай, страны Европы, и, что для нас особенно важно, Россия. Нам есть чем похвастать в области квантовых вычислений. Весьма активно работает в этой области «Росатом». Только за прошлый год было объявлено о создании в госкорпорации 20- и 50-кубитного квантовых компьютеров. А к 2030 году в нашей стране должно появиться 100-кубитное устройство. До успехов Google все же пока далеко. Но работа, которая в России уже ведется, позволяет говорить о достаточно серьезном месте, которое наша страна способна занять в будущем квантовом мире. 

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора