Быстрый и хрупкий

Квантовые компьютеры – главная страшилка современности после искусственного интеллекта и технологической сингулярности в 2045 году.
Вообще, тема запутанная. Американский физик Рольф Ландауэр, легенда науки, в 90-х называл квантовый проект «спекулятивным», потому что технология «не принимает в расчёт источники шумов, ненадёжностей и ошибок производства, так что работать, скорее всего, это не будет».

Или вот Михаил Дьяконов, маститый физик-теоретик, открывший «поверхностные волны Дьяконова», пишет, что «квантовый компьютер», возможно, никогда не появится. Ему пришлось бы обрабатывать набор параметров, числом больше, чем количество субатомных частиц в наблюдаемой Вселенной. С другой стороны, корпорации и правительства тратят миллиарды на создание таких компьютеров. Богатеи с Уолл-стрит рассчитывают получить «супердевайсы» как результат технологической революции, которую уже сейчас творят в сфере IT гиганты вроде Google и IBM. Чтобы квантовый компьютер имел реальное применение, он должен состоять из нескольких сотен, а то и тысяч кубитов. Вот тут-то и возникают трудности… над которыми, кстати, работают российские учёные, моделируя квантовые кубиты и их сцепления. Так что это: массовое безумие и утопия или всё же перспективный проект? И как ЭТО вообще работает? Предлагаю разобраться!

Договоримся сразу: слова «квантовый компьютер» нужно брать в кавычки. Ведь никакого большого мощного квантового компьютера в обычном понимании пока нет. Есть только попытки объединить квантовые кубиты и заставить их работать на нас . Пока эти попытки слабы: объединить много кубитов сложно, проводить вычисления то же сложно, но тяжелее всего корректировать ошибки в этих кубитах. Мы только на пороге со здания компьютера на основе квантовых вычислений. Но рано или поздно он будет создан, и это перевернёт мир! А пока не зазорно ничего не понимать в квантовых компьютерах! Поверьте, квантовую механику понимают не все выпускники МФТИ.

На пальцах: чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Для начала разберёмся с классическим компьютером: он использует двоичную систему вычислений. Чтобы понять, как это работает, представьте обычный выключатель света в комнате – это бит. На нём построены все современные вычисления.
Вы щёлкаете выключателем:

  • Свет включён или выключен.
  • Горит или не горит.
  • 1 или 0.
    Это и есть двоичная система. Сегодня всё в мире оцифровывается (переводится) в нолики и единички.

Но этого сегодня недостаточно. Чтобы наращивать мощности компьютеров и скорости вычислений, нам придётся делать транзисторы (те самые выключатели света) всё меньше и меньше. По прогнозу, уже в 2020-м они должны быть размером с атом. Да и миллиарды транзисторов размером с атом уже не справляются с нашими запросами. Учёные предложили не бит, а кубит.

Как «работает» квантовый кубит
Он может быть в суперпозиции одновременно и 1, и 0.
То есть у этого кубита (проще всего взять электрон) есть:
1
0
и есть разнообразные суперпозиции 0 и 1.

Суперпозиция кубита похожа на вектор на плоскости. С координатами, которые постоянно меняются. То есть наш кубит «вертится», принимая между 0 и 1 ещё множество положений (электрон же объёмный и «вертится» в пространстве). Поэтому и величина суперпозиции меняется. Вот, собственно, и всё. Звучит страшнее, чем кажется!

Осознать это в нашей повседневной жизни сложно. Что это? Как это? В классическом мире мы с этим не сталкиваемся, поэтому и понять сложно. У нас выключатели не могут быть сразу в двух положениях! Но нужно просто запомнить, что, скажем, электрон может быть в состоянии суперпозиции. И, конечно, такой кубит имеет в миллиарды раз больше позиций, чем привычные нам 1 и 0 в бите.

Зачем же нам нужны квантовые компьютеры и квантовые вычисления?
Казалось бы, нолики и единички тоже неплохо работают, интернет грузит, калькуляторы считают… Но скорость недостаточная! Сегодня даже скорость переключения абонентов на мобильных станциях — это уже проблема.
На конкретных примерах:

  • 1. Допустим, мы коммивояжёры и есть несколько населённых пунктов, которые нам надо объехать, не заезжая дважды в один и тот же. А потом вернуться обратно. Такую простенькую задачку обычный компьютер будет решать невероятно долго: а если число городов будет 60+, ему понадобятся миллиарды лет…
  • 2. Допустим, мы физики и нам нужно понять, что будет при столкновении двух атомов. Простая задачка, да? Но вариантов того, что произойдёт после столкновения двух атомов, будет, скажем, 2 в сотой степени (это больше, чем атомов во Вселенной). От операций с такими числами «зависнут» все компьютеры мира… А ведь мы всего лишь хотели узнать судьбу двух атомов. Что же будет, если мы захотим узнать будущее миллиона атомов?!

А если мы хотим узнать все возможные варианты структуры ДНК? А защитить данные? Без квантовых вычислений нам не обойтись…

Насколько быстр квантовый компьютер?

  • Обычный компьютер будет искать конкретную «ячейку» в длинном списке месяцы. Квантовый компьютер несколько минут.
  • Более впечатляющий пример: задачка факторизации. Есть два простых числа, мы их можем перемножить в уме или на листке бумаги, то есть получить факторизованное число. А вот в обратку (зная произведение, узнать начальные множители) — уже тяжело. Чем больше число, тем сложнее классическому компьютеру сделать такую «обратку». Число из 5000 бит он будет расшифровывать дольше, чем живёт Вселенная. Квантовый компьютер справится за ~10 часов.
  • Сегодня квантовые алгоритмы способны продемонстрировать свои преимущества на немногих задачах. Квантовые компьютеры, как правило, хорошо обрабатывают те задачи, где надо перебрать огромное количество вариантов.

Когда нам ожидать «квантового превосходства»?
Хорошо бы, если скоро. В докладе Boston Consulting Group (более 100 экспертов и 150 рецензируемых публикаций) говорится: когда квантовые компьютеры станут моделировать материалы, мы сократим затраты на испытания и сократим время лабораторных экспериментов. Учёные прикидывают: в ближайшие десятилетия мы «выиграем» таким образом более 450 млрд долларов в год. Неплохо, правда? Только чтобы вычислить химические свойства какого-нибудь вещества, нам понадобится компьютер с миллионами кубитов.
Пока «квантовые компьютеры» очень хрупки. Чипы заключены в герметичные коробки, оснащённые вакуумными насосами для удаления посторонних молекул или сильно охлаждённые. Больше кубитов — это ещё больше холодильников и насосов. Ещё затраты. Плюс ко всему непонятно, что делать с большим компьютером. Одна такая машина, работающая на несколько гигагерц, будет извергать более 10 терабайт данных в секунду. Это больше, чем производит Большой адронный коллайдер, и обрабатывать всё это придётся обычным компьютерам. И это я не упоминаю про нестабильность, подверженность ошибкам и так далее.
Помните, совсем недавно Google презентовал свой квантовый компьютер. По сравнению с «Саммитом» от IBM (самым мощным на сегодня) этот продукт — монстр. За 3 минуты 20 секунд он выполняет столько же, сколько «Саммит» просчитывал бы 10 тысяч лет. Прокомментировать эту новость я попросила кандидата физико-математических наук Леонида Федичкина:
«По значимости и достоверности эту новость я бы сравнил с новостью столетней давности о достижении Северного полюса в эпоху покорения Арктики. Команда достаточно квалифицированна, чтобы создать такой компьютер, но, как и для освоения Арктики, нужны ещё десятилетия упорной работы, чтобы человечество почувствовало эффект от этого открытия. России предстоит догонять — пока мы отстаём на 5–10 лет от лидирующих мировых лабораторий. Но всё не совсем безнадёжно — некоторые наши исследователи сейчас работают на современном уровне. Не хватает только оборудования, финансирования».