Кубит Шредингера: есть ли будущее у квантовых вычислений

Несколько недель назад, проснувшись ранним утром в Бруклине, я сел в авто и направился вверх по реке Гудзон в Йорктаун-Хайтс – небольшое поселение в округе Вестчестер штата Нью-Йорк. Там, среди холмов и старых загородных домов, находится Исследовательский центр Томаса Дж. Уотсона – штаб-квартира IBM Research, спроектированная еще в 1960-е годы архитектором Ээро Саариненом.

В глубине этого здания – за бесконечными коридорами и рамками безопасности, сканирующими радужку глаза, – ученые компании усердно работают над тем, что, как сказал мне директор по исследованиям IBM Дарио Джил, является «следующим поколением вычислений», – квантовыми компьютерами.

Я поехал в Центр Уотсона, чтобы заранее увидеть обновленный технический план IBM для достижения практических квантовых вычислений в большом масштабе. Это предполагало много разговоров о «количестве кубитов», «квантовой когерентности», «устранении ошибок», «программной оркестровке» и других темах, для полного погружения в которые необходимо быть инженером-электротехником с опытом в области компьютерных наук и представлением о квантовых вычислениях.

У меня нет ни того, ни другого, но я достаточно долго наблюдал за миром квантовых вычислений, чтобы понимать: работа, выполняемая здесь исследователями IBM и параллельно их конкурентами по всему миру, – это основа для следующего большого скачка в вычислительной технике. Если учесть, что вычисления являются «горизонтальной технологией, которая затрагивает всё», это, по словам Джила, будет иметь серьезное значение для прогресса во всём – от кибербезопасности до искусственного интеллекта и более совершенных аккумуляторов.

При условии, конечно, что они действительно смогут заставить эти вещи работать.

Вход в квантовую реальность

Лучший способ понять квантовый компьютер (если не считать нескольких лет обучения в аспирантуре Массачусетского или Калифорнийского технологических институтов) – это сравнить его с машиной, на которой я печатаю эту статью, с классическим компьютером.

Мой MacBook Air работает на чипе M1, состоящем из 16 миллиардов транзисторов. Каждый из этих транзисторов может за один раз – бит – представлять либо «1», либо «0» двоичной информации. Огромное количество транзисторов – вот что дает машине вычислительную мощность.

Шестнадцать миллиардов транзисторов, уложенных на микросхему площадью 120,5 кв. мм, – это много. В TRADIC, первом компьютере на транзисторах, их было меньше 800. Способность полупроводниковой промышленности умещать всё больше транзисторов на микрочипе (наблюдение, сформулированное соучредителем Intel Гордоном Муром в законе его имени) сделала возможным экспоненциальный рост вычислительной мощности, что в свою очередь сделало возможным многое другое.

Но есть вещи, которые классические компьютеры не могут делать и не смогут никогда независимо от того, сколько транзисторов сможет разместить на квадрате кремния завод по производству полупроводников (fab – на отраслевом жаргоне). И вот тут-то и появляются уникальные и откровенно странные свойства квантовых компьютеров.

Вместо битов квантовые компьютеры обрабатывают информацию, используя кубиты, которые могут одновременно представлять «0» и «1». Как они это делают? Этот вопрос непрост для меня, но, по сути, кубиты используют феномен квантовой механики, известный как «суперпозиция», когда свойства некоторых субатомных частиц не определены, пока они не измерены. Вспомните о коте Шредингера, одновременно мертвом и живом, пока вы не откроете его коробку.

Один кубит – это мило, но когда вы начинаете добавлять больше, всё становится по-настоящему захватывающим. Классическая вычислительная мощность с добавлением каждого транзистора увеличивается линейно, но мощность квантового компьютера с добавлением каждого нового надежного кубита увеличивается экспоненциально. Это связано с другим свойством квантовой механики – «запутанностью», когда на индивидуальные вероятности каждого кубита в системе могут влиять другие кубиты.

Всё это означает, что верхний предел мощности работоспособного квантового компьютера намного превышает то, что было бы возможно в классических вычислениях.

Таким образом, теоретически квантовые компьютеры могут решать проблемы, с которыми никогда не справится классический компьютер, каким бы мощным он ни был. Какие проблемы, например? Например, связанные с фундаментальной природой материальной реальности, которая, в конце концов, основана на квантовой, а не на классической механике. (Простите, сэр Ньютон.) «Квантовые компьютеры моделируют проблемы, которые мы находим в природе и в химии», – говорит Джей Гамбетта, вице-президент IBM по квантовым вычислениям.

Квантовые компьютеры могут имитировать свойства теоретической модели аккумулятора, чтобы помочь разработать такой аккумулятор, который будет намного эффективнее и мощнее, чем сегодняшние версии. Они могут решать сложные логистические проблемы, находить оптимальные маршруты доставки или улучшать прогнозы для климатологии.

В сфере безопасности квантовые компьютеры способны взломать криптографические методы защиты, потенциально сделав небезопасным всё: от электронной почты до финансовых данных и национальных секретов, – поэтому гонка за квантовое превосходство является еще и международным соревнованием, в которое, например, китайское правительство вкладывает миллиарды. Эти риски подвигли Белый дом выпустить в начале нынешнего месяца новый меморандум, призванный обеспечить национальное лидерство в области квантовых вычислений и подготовить страну к связанным с ними угрозам кибербезопасности.

Помимо проблем защиты, значительными могут оказаться потенциальные финансовые преимущества. Компании уже предлагают услуги ранних квантовых вычислений через облако для таких клиентов как Exxon Mobil и испанский банк BBVA. В то время как в 2020 году глобальный рынок квантовых вычислений стоил менее 500 миллионов долларов, к 2027 году International Data Corporation прогнозирует его рост до 8,6 миллиардов долларов, а рост инвестиций – свыше 16 миллиардов.

Но чтобы это стало возможным, исследователям необходимо проделать тяжелую инженерную работу по превращению квантового компьютера из того, что до сих пор является в значительной степени научным экспериментом, в надежный промышленный объект.

Холодная комната

Джерри Чоу, который руководит экспериментальным центром квантовых компьютеров IBM, открывает находящийся внутри здания штаб-квартиры 9-футовый стеклянный куб, чтобы показать мне нечто напоминающее люстру из золота – IBM Quantum System One. Основная часть люстры, по сути, является высокотехнологичным холодильником со змеевиками, содержащими сверхтекучие жидкости, способные охлаждать оборудование до температуры, которая всего на сотую долю градуса Цельсия выше абсолютного нуля, – по словам Чоу, это холоднее, чем в открытом космосе.

Охлаждение – ключ к работе квантовых компьютеров IBM, в том числе показывающий, почему их функционирование является такой сложной инженерной задачей. И хотя потенциально они намного мощнее своих классических «коллег», но при этом намного, намного более привередливы.

Помните, я говорил о квантовых свойствах суперпозиции и запутанности? В то время как кубиты способны делать вещи, о которых биты и не мечтали, малейшее изменение температуры, вибрации или излучения может привести к тому, что они потеряют эти свойства из-за так называемой декогеренции.

Это причудливое охлаждение должно предотвращать декогеренцию кубитов системы, пока компьютер делает свои вычисления. Самые ранние сверхпроводящие кубиты теряли когерентность менее чем за наносекунду, в то время как современные квантовые компьютеры IBM способны ее поддерживать в течение целых 400 микросекунд (в каждой секунде 1 миллион микросекунд).

Задача, с которой сталкиваются IBM и другие компании, заключается в разработке квантовых компьютеров, менее подверженных ошибкам при «масштабировании системы от тысяч и даже десятков тысяч до миллионов кубитов», – говорит Чоу.

Но на это могут уйти годы. В прошлом году IBM представила Eagle – процессор на 127 кубитов. В конце этого года, согласно обновленному техническому плану, она намерена представить процессор Osprey на 433 кубита, а к 2025 году – компьютер на 4000 кубитов. К тому времени, согласно недавнему заявлению прессе генерального директора IBM Арвинда Кришны, квантовые вычисления могут выйти за рамки экспериментов.

Многие эксперты скептически относятся к тому, что IBM или кто-то из ее конкурентов когда-либо добьется этого: высока вероятность, что инженерные проблемы слишком сложны, чтобы сделать квантовые компьютеры по-настоящему надежными. Еще в прошлом году Скотт Ааронсон, эксперт по квантовым вычислениям из Техасского университета, сказал мне, что «за последнее десятилетие было огромное количество заявлений о том, что можно сделать с помощью квантового компьютера, например, решить все проблемы машинного обучения, но эти заявления примерно на 90 процентов чушь». По его словам, чтобы их реализовать, «понадобятся революционные изменения».

В мире, который становится всё более цифровым, дальнейший прогресс будет определяться способностью извлекать максимум пользы из создаваемых нами компьютеров. И это будет зависеть от работы таких исследователей, как Чоу, от его коллег, которые трудятся в лабораториях без окон, чтобы найти революционно новые решения для наиболее сложных проблем компьютерной инженерии – и попутно построить будущее.

Источник