Скоро у нас будут квантовые компьютеры и множество других квантовых устройств
Квантовую механику трудно понять не только потому, что она очень сложна, а еще и потому, что она противоречит здравому смыслу — обычно принято вспоминать известный пример с одновременно живым и мертвым котом Шредингера. Правда, квантовая механика работает вне зависимости от того, понимает обычный человек ее принципы или нет, и уже через несколько лет мы будем пользоваться новейшими плодами квантовой революции
Эта революция продолжается больше ста лет, и сейчас мы переживаем уже вторую квантовую революцию. Первая подарила нам полупроводниковые триоды, интегральные схемы, лазеры, магнитно-резонансные томографы, CD, флеш-память, лидары и многие другие устройства, работа которых построена на принципах квантовой механики. Первая квантовая революция дала нам и компьютеры, работающие как раз на полупроводниковых триодах и интегральных схемах, которые мы обычно называем транзисторами и микрочипами.
Квантовый компьютер должен стать главным чудом второй квантовой революции, которая продолжается уже несколько лет. Объяснить его главное отличие от классического не очень сложно: обычный компьютер использует для обработки информации бинарный код, то есть бит, минимальная единица информации в классических компьютерах, может находиться в одном из двух состояний — 0 или 1. Минимальная единица информации в квантовом компьютере — квантовый бит, или кубит, — способна одновременно находиться во всех возможных состояниях, в том числе быть 0 и 1 одновременно (до тех пор, пока мы его не наблюдаем). Эта способность называется квантовой суперпозицией, именно в эту квантовую суперпозицию помещал своего кота Эрвин Шредингер.
Как и во всем, что связано с квантовой физикой, это неполное, упрощенное и на самом деле не особенно понятное объяснение принципа работы квантового компьютера. Главное, что стоит запомнить будущим пользователям подобных устройств, — суперпозиция позволит квантовым компьютерам решать определенный тип задач быстрее обычных компьютеров. Насколько быстрее?
В декабре 2015 года Google тестировал адиабатический компьютер D-Wave 2X, работающий по так называемому принципу квантового отжига. Придуманную для теста задачу он решил в 100 млн раз быстрее, чем обычный одноядерный процессор, говорил директор инженерного подразделения Google Хартмут Невен. Google, который совместно с HASA купил три из десяти проданных на рынке компьютеров производства канадской D-Wave (последняя модель стоит $15 млн), использует их для экспериментов и расчетов новых алгоритмов.
Конечно, это был не совсем честный тест: для него придумали именно такую задачу, с которой D-Wave 2X справится настолько лучше, чем обычный ноутбук. К тому же компьютеры канадской компании способны решать только один тип задач, их нельзя перепрограммировать, а ученые спорят, можно ли вообще считать компьютеры D-Wave квантовыми. И уж точно это не «универсальные квантовые компьютеры», тот Святой Грааль квантовой механики, который еще предстоит создать. Но они уже работают над практическими задачами.
Один из последних покупателей компьютеров D-Wave, концерн Volkswagen, использует квантовые вычисления для решения проблемы с пробками в Пекине, рассказали в D-Wave. Компании разработали алгоритм для подбора оптимального маршрута из центра до аэропорта для службы такси. Алгоритм, запущенный на компьютере D-Wave, справился с задачей менее чем за секунду, тогда как обычному компьютеру на ее решение потребовалось около 45 минут, сообщили журналу РБК в D-Wave. Команда Volkswagen попытается применить тот же алгоритм для прогнозирования пробок в Барселоне, рассказали в канадской компании.
Еще одна задача, с которой квантовые компьютеры справляются гораздо быстрее обычных, — факторизация, разложение чисел на простые множители. Эта их способность позволяет взламывать любые современные криптографические системы с открытым ключом. Это ставит под угрозу защищенные линии связи и зашифрованные сообщения или, к примеру, блокчейн с его цифровыми подписями. Обычные компьютеры тоже способны взламывать сложные шифры, просто им для этого нужно очень много времени, многие годы, тогда как квантовые компьютеры решают эти задачи за минуты. Теоретически. К счастью для правительств и держателей биткоинов, полноценных квантовых компьютеров пока не существует.
Квантовое превосходство
Большинство современных квантовых компьютеров — как правило, их разновидность под названием «квантовые симуляторы» — расположены в лабораториях научных центров, университетов и крупных ИТ-корпораций вроде IBM, Intel и Microsoft. Это очень громоздкие, нестабильные и капризные устройства, функционирование которых может нарушить даже проехавший в километре трамвай, а чипы с кубитами приходится замораживать до температуры, близкой к абсолютному нулю. Сейчас работа на квантовых компьютерах скорее напоминает физические эксперименты, но все может измениться очень быстро, потому что в этой области все уже меняется очень быстро.
Современный этап развития квантовых компьютеров многие сравнивают с этапом, на котором обычные компьютеры находились в конце 1940-х — начале 1950-х годов, когда эти устройства занимали целую комнату и потребляли электричество в гигантских объемах. Еще в начале 1990-х годов идею квантовых компьютеров никто не воспринимал всерьез даже в научных кругах, рассказал журналу РБК профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. В середине 2000-х Лукин не решился заняться созданием такого устройства: подобный проект выглядел слишком рискованным. А летом 2017 года команда Лукина объявила о создании симулятора квантового компьютера на 51 кубит, команда Мэрилендского университета — на 53 кубита, команда IBM — на 56 кубитов.
При этом IBM планирует запустить «универсальный» квантовый компьютер в 2018 году и уже выложила свой нынешний работающий прототип в облако, где можно попробовать работать на квантовом компьютере. Intel через десять лет обещает добиться мощности своего компьютера в 1 млн кубитов, говорит директор по квантовому оборудованию Intel Джим Кларк.
Вероятнее всего, квантовые компьютеры не заменят обычные — по крайней мере так сейчас считают их разработчики. Профессор Токийского технологического института Хидетоси Нисимори в одном из интервью сравнил квантовые компьютеры с очень мощными гоночными машинами: из того, что они показывают лучшие результаты на специальном треке, не следует, что все мы завтра купим такие машины и начнем ездить на них на работу или за покупками. Скорее они будут встраиваться в одну цепочку с классическими компьютерами там, где это нужно, и это уже происходит. Практически все действующие квантовые симуляторы являются гибридными установками, части которых управляются обычными компьютерами.
Но квантовые вычисления — это пока настолько передовой край науки, что пока никто не может сказать точно, как будут выглядеть квантовые компьютеры ближайшего будущего, что они будут уметь и будут ли квантовые процессоры работать в наших телефонах или ноутбуках. В одном сходятся ученые и сотрудники корпораций — в ближайшие пять-десять лет квантовых компьютеров вокруг нас будет все больше, и они будут становиться мощнее. Будет ли достигнуто «квантовое превосходство» — это неправильный вопрос. Правильный вопрос — когда?
Фото: Арсений Несходимов для РБК; из архива пресс-службы компании IBM