Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Каку Митио

В 1950-е гг. универсальные вычислительные машины были доступны лишь крупным корпорациям, правительственным агентствам вроде Пентагона и международным банкам. Они были мощными (так, ENIAC способен был за 30 секунд посчитать то, что потребовало бы от человека 20 часов работы). Но при этом они были дорогими, громоздкими и часто занимали целый этаж офисного здания. Появление микросхем произвело настоящую революцию в производстве компьютеров. За прошедшие десятилетия микросхемы настолько уменьшились в размерах, что средний чип размером с ноготь может теперь содержать в себе около миллиарда транзисторов. Сегодня сотовый телефон, на котором ребенок играет в видеоигры, оказывается мощнее целого зала неуклюжих «динозавров», которыми когда-то пользовался Пентагон. Компьютер у нас в кармане превосходит по мощности компьютеры, применявшиеся

во время холодной войны, и мы воспринимаем этот факт как нечто само собой разумеющееся.

Все проходит. Каждый шаг к чему-то новому в процессе развития компьютеров приводил к тому, что прежние технологии устаревали. Так работает созидательное разрушение. Повышение мощности классических компьютеров по закону Мура уже замедляется, а со временем может и совсем остановиться. Дело в том, что микросхемы стали уже такими компактными, что толщина самого тонкого слоя транзисторов составляет около 20 атомов. Когда толщина слоя достигает примерно пяти атомов, положение электрона становится неопределенным; утечка таких электронов может вызвать короткое замыкание в чипе или выделить так много тепла, что чип расплавится. Иными словами, если мы будем использовать в микросхемах в первую очередь кремний, то закон Мура должен рано или поздно прекратить действовать, просто по законам физики. Вполне может быть, что мы в настоящий момент являемся свидетелями конца эпохи кремния. Следующим скачком, возможно, станет посткремниевая, или квантовая, эпоха.

Санджей Натараджан из Intel заявил: «Мы считаем, что выжали из этой архитектуры всё, что можно было выжать» {9} .

Не исключено, что Кремниевая долина со временем станет новым «ржавым поясом».

Хотя и кажется сейчас, что все спокойно, рано или поздно это новое будущее наступит. Как утверждает Хартмут Невен, директор Лаборатории искусственного интеллекта Google: «Все выглядит так, будто ничего не происходит, ровным счетом ничего, а потом упс – и ты вдруг оказываешься в другом мире» {10} .

9

Matthew Hutson, "The Future of Computing," ScienceNews; www.sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-ethics.

10

James Dargan, "Neven's Law: Paradigm Shift in Quantum Computers," Hackernoon, July 1, 2019; www.hackernoon.com/nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers-e6c429ccd1fc.

Почему они такие мощные?

Что делает квантовые компьютеры настолько мощными, что все страны мира спешат овладеть этой новой технологией?

В сущности, все современные компьютеры основываются на цифровой информации, которую можно представить в виде последовательности нулей и единиц. Минимальная единица информации – одна цифра – называется бит. Эту последовательность нулей и единиц скармливают цифровому процессору, который производит расчет и выдает результат на выход. К примеру, скорость вашего интернет-соединения может измеряться в битах в секунду (бит/с); так, один гигабит в секунду (1 Гбит/с) означает, что каждую секунду на ваш компьютер посылается один миллиард бит информации, что обеспечивает вам мгновенный доступ к фильмам, электронной почте, документам и тому подобному.

Однако нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г. увидел и другой подход к цифровой информации. В пророческом новаторском выступлении «Внизу много места» и последовавших за ним статьях он задался вопросом: почему не заменить эту последовательность нулей и единиц состояниями атомов и не сделать атомный компьютер? Почему не заменить транзисторы самым маленьким возможным объектом, атомом?

Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном поле ось их вращения может быть направлена либо вверх, либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два состояния атома можно соотнести с 0 и 1.

Мощность цифрового компьютера напрямую связана с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом компьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы способны также вращаться в любой

комбинации двух описанных положений. К примеру, можно получить состояние, в котором ось вращения атома 10 % времени направлена вверх, а 90 % времени – вниз (для краткости можно говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65 % времени вверх, а 35 % – вниз. Мало того, число вариантов вращения атома бесконечно. Это многократно увеличивает число его возможных состояний. Так что атом может нести в себе гораздо больше информации – не бит, а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх» и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному биту информации в каждый момент времени, что ограничивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты, обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт, что на атомном уровне объекты могут существовать одновременно во множестве состояний, называется суперпозицией. (Это означает также, что привычные законы здравого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются. В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться в двух местах одновременно, чего у более крупных объектов не бывает.)

Кроме того, кубиты могут взаимодействовать между собой, что для обычных бит невозможно. Это называется запутанностью. Если состояния цифровых бит независимы, то всякий раз, когда вы добавляете к системе очередной кубит, он взаимодействует со всеми предыдущими кубитами, то есть число возможных взаимодействий удваивается. Из этого следует, что квантовые компьютеры по своей природе экспоненциально мощнее цифровых компьютеров, – ведь каждый раз, когда вы добавляете очередной кубит, число взаимодействий удваивается.

К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры могут иметь в своем составе более 100 кубитов. Это означает, что они в 2¹⁰⁰ раз мощнее суперкомпьютера всего с одним кубитом.

Квантовый компьютер Sycamore компании Google, первым достигший квантового превосходства, способен обрабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный компьютер в подметки не годится подобному квантовому компьютеру.

Коммерческие и научные последствия всего этого громадны. Ставки при переходе от цифровой мировой экономики к экономике квантовой необычайно высоки.

Что ограничивает скорость квантовых компьютеров

Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам сегодня вывести на рынок мощные квантовые компьютеры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобретатель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, способный взломать любой известный шифр?

Проблему, с которой сталкиваются квантовые компьютеры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы необходимо расположить в точности так, чтобы они вибрировали в унисон. Это называется когерентностью. Но атомы – невероятно маленькие и чувствительные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение из внешнего мира – и когерентность батареи атомов может быть нарушена и весь расчет – погублен. Эта невероятная чувствительность и уязвимость и есть главная проблема квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион долларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?

Чтобы минимизировать вредное влияние внешнего мира, ученые при помощи специального оборудования понижают температуру до значений, близких к абсолютному нулю, когда нежелательные колебания почти отсутствуют. Но, чтобы достичь этих температур, требуются особые дорогостоящие насосы и трубки.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой. Мать-природа использует квантовую механику при комнатной температуре без каких бы то ни было проблем. К примеру, чудо фотосинтеза – одного из важнейших процессов на Земле – представляет собой квантовый процесс, который проходит тем не менее при обычной температуре. Матери-природе не нужны целые комнаты экзотических устройств, работающих при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы осуществлялся фотосинтез. По не совсем понятным причинам в природе когерентность может поддерживаться даже в теплый солнечный день, когда возмущения от внешнего мира должны, по идее, порождать хаос на атомном уровне. Если бы мы смогли однажды разобраться, как мать-природа творит свое волшебство при нормальных температурах, мы стали бы, возможно, повелителями квантовых процессов и даже самой жизни.