Квантовый компьютер: модная спекуляция или реальный помощник?

Что такое квантовый компьютер

Время от времени информационное поле содрогается от очередной сенсации: в лаборатории такой-то уже изобрели чип на столько-то кубитов, а это означает, что квантовый компьютер чуть ли не завтра можно будет заказать с доставкой на дом. Но что это за квантовый компьютер и действительно ли он нам нужен?



Квантовые компьютеры – тема модная и многим непонятная. С тех пор, как в 1920-х годах прошлого века квантовая физика выделилась в отдельную отрасль науки, ученые не перестают твердить о ее несомненной практической пользе для человечества. Которое в основной своей массе этой пользы не видит – разве что прилив положительных эмоций от интернет-мемов, посвященных нелегкой судьбе Шрёдингерова кота. Однако ученые продолжают уверять, что квантовый компьютер – это именно то, что жизненно необходимо миру. Под эти разработки выделяются колоссальные средства: по слухам, за последние двадцать лет общая сумма грантов на квантовые вычислители в США превысила ассигнования на все программы NASA. И, разумеется, первый, кто изобретет полноценный квантовый вычислитель, получит Нобелевскую премию. Потому из малейшего информационного сообщения об очередных квантовых изысканиях раздувается сенсация. Зачем вообще нужен квантовый компьютер? Неужели в мире так много информации, что ее не одолеют привычные нам “классические” ноутбуки, рабочие станции или даже мощные серверные кластеры? Будем разбираться.



Эволюция информации

Для начала вспомним, что любая вычислительная машина – это инструмент для обработки информации.


В общенаучном контексте под информацией понимается обмен некими сигналами между объектами, группами сущностей и системами: живые существа, растения, люди, машины, биологические клетки, элементарные частицы. Сама по себе информация абстрактна, и для того, чтобы ее можно было обработать, она должна быть представлена в виде данных. Очень часто понятия “информация” и “данные” отождествляют для наглядности.


С тех пор, как человек получил в подарок от эволюции вторую сигнальную систему – речь, его возможности информационного обмена с внешним миром существенно обогатились. Чтобы донести до собеседника (иногда даже воображаемого) информацию, рожденную в нашем мозге, мы можем использовать акустические сигналы (речь, рычание, смех, крик, плач), разнообразные виды невербальной коммуникации (мимика, жесты, телесный контакт). А еще – графическим образом представленные данные: картинки, слова из букв, цифры... По своей сути пещерные петроглифы эпохи палеолита и строки исходного кода равнозначны – они несут информацию и сообщают ее тому, кто способен ее обработать.


Познавая мир и объективную окружающую реальность, человек одновременно открыл в себе способность к абстрактному мышлению. Оно уже требовало гораздо более напряженной работы мозга, чем простая оценка информации, полученной через органы чувств. Интеллект человечества стал стремительно развиваться. Но чем больше данных вокруг нас, тем больше нагрузка на вычислительные мощности. Говорят, способности мозга беспредельны, но трудно не признать, что по степени быстродействия и производительности мозг обычного человека заметно уступает примитивным калькуляторам полувековой давности. А результаты вычислений – как продукт интеллектуального анализа поступившей информации – нам нужны немедленно. Поэтому с самых древних времен – наверное, с тех пор, как появились первые системы счета, – люди стали искать инструмент, способный ускорить получение результата вычислений.



От бита к кубиту

Так эволюция информации неминуемо повлекла за собой и эволюцию вычислителей. Со школы мы помним, какой долгий путь прошли счетные инструменты от веревки-абака, палочек Непера и логарифмических линеек до современных электронных компьютеров на интегральных микросхемах. Тогда же мы усвоили и основной принцип работы классических компьютеров: бинарный код, в котором единица хранения информации (бит) может находиться в двух состояниях: 0 или 1.


Современный мир переполнен информацией, и ее становится все больше: по прогнозам аналитической компании IDC,  к 2025 году общий объем данных на планете составит 163 зетабайт (ZB), то есть 163*1021 байтов. А в каждом байте, как мы помним, 8 бит. И ведь все это огромное информационное пространство – вокруг нас. Это данные, которые производят и обрабатывают наши домашние компьютеры и облачные серверы, промышленные роботы и устройства IoT, нетбуки и смартфоны, банковские терминалы и информационные системы глобальных корпораций, смарт-часы и фермы по майнингу криптовалют. Все они в своей основе работают на кремниевых полупроводниковых микрочипах и используют для расчетов бинарный код.


С помощью этой многомиллиардной армии процессоров решаются задачи как материально-прикладного характера, так и абстрактно-теоретические: из области астрономии, квантовой физики, математики, кибернетики... Как бы ни был велик соблазн, отказываться от теоретических изысканий нельзя – ведь именно благодаря им научный поиск приходит к открытиям, которые мы можем применять уже на прикладном уровне.


А значит, задачи надо решать. Вычислять, например, прототипы новых синтетических молекул с заданными свойствами вещества. Создавать новые криптоалгоритмы с суперустойчивыми 512-битными исходными ключами. Или искать варианты таких комбинаций генов в геноме, которые смогут снизить опасность развития онкологии. Да просто расшифровать геном человека – задача, требующая большого количества времени на обработку массива данных!


В статье “Облака спасают жизни и заботятся о вашем здоровье” мы рассказываем о том, что такое секвенирование генома, как оно способно поменять всю концепцию здравоохранения и почему для расшифровки генома требуется огромное количество вычислительных ресурсов.


До сих пор классические компьютеры с большинством задач справляются. Правда, медленнее, чем хотелось бы, – а результат нам нужно получить мгновенно. Мы стараемся увеличить мощность наших вычислителей, совершенствуем микросхемы и процессоры, но объем задач, требующих повышенной производительности, растет снежным комом. Для решения прикладной задачи из области криптографии даже суперкомпьютеру требуется пара-тройка сотен лет, – но никто не будет так долго ждать результата. Так может, нам стоит пересмотреть принцип самих вычислений?


В двоичной системе, как было сказано, информация может находиться в двух состояниях – либо 0, либо 1. И вычисления в классических процессорах происходят “по цепочке”, последовательно. Сама природа процессоров не дает избавиться от этой линейности в ситуациях, когда нужно обработать большой массив данных. Можно, конечно, использовать многоядерные процессоры и серверы с несколькими процессорами. Однако линейность вычислительных процессов сохраняется.


Принципы работы квантового компьютера. Сфера Блоха
Сфера Блоха
“А у меня есть принцип суперпозиции! – как бы невзначай роняет квантовая физика. – И я знаю, как можно распараллелить вычисления, сократив время на получение результата...”
Обрабатывать данные одновременно в несколько потоков как раз и позволяет использование квантовой суперпозиции. В квантовой системе (в отличие от классической двоичной) базовых состояний информации три: 0, 1 и оба вместе.


Именно суперпозиция лежит в основе разработки квантового компьютера. Второй основной принцип, на котором строится логика работы квантового компьютера, это квантовая запутанность – способность взаимосвязанных между собой частиц влиять друг на друга даже если эти объекты разнесены в пространстве на значительные расстояния.


Единица хранения информации квантового компьютера – кубит (quantum bit), вместо бита в классическом. Кубит может принимать значения |0⟩, |1⟩ или сочетать оба состояния одновременно, а точнее их комбинацию |ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩ (это и называется суперпозицией). Значение кубита можно представить как вектор из центра сферы Блоха в направлении точки на поверхности, вместо двоичного числа, как в «классическом» бите.


Иными словами, квантовая физика оперирует, скорее, вероятностью, а не точным определением – областью, а не точкой. Результат вычислений получается тоже приближенным к правильному, и чем больше выполняется операций в алгоритме квантового расчета, тем выше вероятность получения результата, максимально близкого к искомому.


Благодаря суперпозиции и запутанности квантовый компьютер может разделять вычислительные процессы на множество независимых потоков, происходящих одновременно.



Что может квантовый компьютер?

Итак, мы придумали, как осуществить обработку огромного массива информации в несколько потоков одновременно: берем данные, переводим в квантовый формат, препарируем их так, как нам необходимо, производим обратную трансформацию в привычный нам вид, наслаждаемся быстро полученным результатом. То есть, в грубом приближении, на вычисления, которые суперкомпьютер сделает за  пару сотен лет, а обычный – миллионы, квантовый потратит несколько минут плюс-минус секунда.  


Отлично, но где мы будем применять такие мощные расчеты? Удивим скептиков – примеров хватает. Вот несколько из них:


  • развитие криптографии, программирования и кибернетики;
  • управление процессами на производстве;
  • анализ и прогноз биржевой активности;
  • построение максимально точных метеорологических и сейсмологических прогнозов на продолжительный срок;
  • полноценное моделирование реальных физических и химических систем, в том числе – построение новых молекул с расчетом сил связи между атомами, электронами и другими элементарными частицами;
  • создание новых веществ, лекарств с заданными свойствами в химии, фармацевтике, материаловедении;
  • предиктивная медицина и генетические исследования;
  • решение и моделирование сложных задач и систем из области экспериментальной математики, физики, аэрокосмической индустрии.

В таких задачах приходится одновременно учитывать много различных переменных, влияющих на состояние друг друга. При последовательной обработке некоторых сложных данных классическим способом потребуются годы и даже века. Но квантовый компьютер справится с ними гораздо быстрее и эффективнее. За счет чего? Если кубиты логически взаимосвязаны, то N кубитов позволят вместо последовательного перебора одновременно обрабатывать все 2N возможных состояний – среди них сразу найдется и правильный ответ задачи. Особенно эффектно это демонстрирует разложение больших целых чисел на простые сомножители (факторизация) в математике.


Или сугубо теоретическая задача по взлому блокчейн-защиты – хэширования и асимметричного шифрования. Ею занимаются теоретики, разрабатывая алгоритмы, которые учитывают вероятность, как алгоритм Гровера (Grover’s algorithm), либо раскладывают числа на простые множители и определяют минимальное количества итераций для нахождения простых множителей числа, как алгоритм Шора (Shor’s algorithm). Эти задачи “по зубам” только квантовому компьютеру, и пока он не создан, блокчейн-технологии могут быть в безопасности. Но вероятность того, что однажды quantum computer выйдет за пределы экспериментальных разработок и взломает блокчейн, растет с каждым днем.



Принцип работы квантового компьютера

Разумеется, для принципиально иных, нежели привычная “классика”, вычислений и процессоры нужны другие. В отличие от классических чипов на кремниевых пластинах, квантовый процессор “тяготеет” к благородным металлам.


Процессор Intel для квантового компьютера
Процессор Intel на 49 кубит
Как в любом классическом процессоре, в квантовом есть коннекторы (входы и выходы) для обмена информацией, то есть загрузки выполняемой программы и выгрузки результатов. Оказалось, что лучшим материалом для коннекторов является золото: его использование дает оптимальное качество передачи сигналов, снижает радиопомехи и потери в проводниках. В результате охлаждения до сверхнизких температур хаотическое движение молекул в материалах приостанавливается. Тогда тепловые шумы, влияющие на состояние кубита и искажающие полезную информацию, минимальны.

Дело в том, что квантовым системам необходимо достаточно большое время когерентности (связанного состояния информации в отдельных кубитах), чтобы успеть загрузить информацию, обработать ее и вывести результаты до момента, когда помехи и шумы уже исказят данные внутри кубитов, согласно законам квантового мира. Кроме того, обязательно должен быть продуман и реализован алгоритм коррекции ошибок. Именно этот эффект пока не позволяет создать работоспособный процессор с достаточным числом кубитов (50-100 сейчас полагают оптимальным), которые взаимодействуют и устойчиво сохраняют информацию до ее получения потребителем. На сегодняшний день уже есть прототипы систем с процессорами из 5, 16 и более кубитов. Так, 16-кубитный D-Wave был представлен еще в 2007 году. Некоторые реально работающие системы даже предоставлены для ознакомления и работы всех желающих, с доступом через облако – например, проект IBM Q.

Когда ждать квантовый компьютер?

Несмотря на громкие заявления корпораций и спонсируемых ими исследовательских групп на сегодняшний день полноценный квантовый компьютер все еще не создан. Пока что у человечества есть только разные прототипы с имитацией логики квантового мира, которые по сути являются лишь эмуляторами. Ученые разных стран пытаются заставить относительно крупные, “рукотворные” структуры вести себя в логическом смысле как частицы микромира – атомы и электроны, например. Насколько правдоподобной будет такая эмуляция?


Программирование квантового компьютера
Интерфейс программирования квантового компьютера – проект IBM Q
Технологическую идею построения кубита как «искусственного атома» при температурах около абсолютного нуля (минус 272 градуса по шкале Цельсия) используют Intel, IBM и другие компании. Такое охлаждение необходимо, поскольку при сверхнизких температурах проявляются эффекты сверхпроводимости, соответственно, время стабильности состояния системы возрастает (да, это о той самой когерентности!). Описаны также попытки создать оптический вычислитель на основе управления фотонами (квантами света). По крайней мере, о том, что первая микросхема оптической квантовой памяти уже создана, в сентябре 2017 года писал журнал Science.


Корпорации и независимые лаборатории соревнуются в попытках достижения квантового превосходства и год за годом эта борьба становится все более напряженной. Квантовое превосходство – это тот замечательный момент, когда всё человечество наконец признает: полноценный квантовый компьютер создан и способен решать все задачи, доступные классическим вычислителям (симуляция логики классического компьютера), а также те задачи, решить которые не может даже суперкомпьютер, либо будет решать настолько долго, что результат обесценится – счет идет на сотни, тысячи и миллионы лет.


Этим квантовое превосходство и отличается от квантового преимущества: последнее означает, что квантовый компьютер решает задачки просто чуть-чуть быстрее, чем классический. При этом разница во времени исчисляется небольшими величинами – в пределах нескольких дней или недель. Все упирается в прикладную ценность вычислений.


Осень 2019 года заставила поволноваться любителей квантовой физики: корпорация Google несколько раз объявляла о своем работоспособном 53-кубитном компьютере Sycamore. Но ее намеки на достижение квантового превосходства не вызвали восторга в ученом мире, а компания IBM и вовсе обиделась. Было на что: в своем заявлении Google сообщила, что Sycamore за 200 секунд справился с решением задачи, на которую у самого мощного суперкомпьютера Summit на процессорах от IBM ушло бы 10 тыс. лет. На первый взгляд, грандиозная разница. И IBM не замедлила выдать встречное заявление:


  • никакое это не превосходство, а всего лишь преимущество;
  • никакая это не нерешаемая для суперкомпьютера задача, а просто сложная;
  • и классический компьютер выдал результат гораздо более точный, чем у квантового;
  • и вовсе не 10 000 лет, а два с половиной дня ушло;
  • и вообще, весь эксперимент Google умозрителен, его результат практической пользы не несет, поэтому о каком преимуществе тут вообще говорить!

Деликатно умолчим о том, что обе группы грешат голословностью – оценивание делалось приблизительно, в рамках статистического моделирования и прочих теоретических методов. Тем не менее, после вступления в полемику IBM о достижении квантового превосходства Google’м очень быстро перестали говорить. Так что пока можно быть уверенными: квантовый компьютер – всё еще дело будущего.


Поэтому бежать в техномаркет за квантовым компьютером еще не время. Квантовые компьютеры постепенно займут свое место в лабораториях, дата-центрах, на производстве. Свои специфические задачи (оптимизация, криптография, создание новых молекул и материалов и т.д.) они станут выполнять в миллиарды раз быстрее классических вычислителей. Для большинства же повседневных нагрузок (серверы, офисные и домашние приложения, развлечения, мультимедиа) компьютеры классической архитектуры еще надолго останутся наиболее эффективными, компактными и дешевыми.




Автор текста: Алиса Кандеева


Идея: Станислав Комухаев




Источники:

Понравилась статья? Поделитесь ею в социальных сетях!