Квантовый компьютер – технология, над созданием которой бьются все развитые страны. Это не просто устройство – это новый принцип работы и мышления, основанный на законах другого, чуждого, но одновременно близкого мира – мира сверхмалых частиц. Близкого, потому что все на свете, живое и мертвое, состоит из них. А чуждого, потому что существуют они по законам, которые не просто трудно объяснить, но даже едва возможно осознать. И все же пройдет совсем немного времени, когда усилиями ученых квантовый мир соприкоснется с нашим на уровне невероятных технологий будущего.
Параллельная вселенная
Согласно третьему закону, сформулированному известным писателем и футурологом Артуром Кларком, любая достаточно развитая технология неотличима от магии. Действительно, легко представить потрясение жителей середины прошлого века от демонстрации современных нам гаджетов, хотя уже тогда существовали компьютеры, пусть и не персональные. В 1950-е все были уверены, что компьютеры нужны только для научных расчетов. Сейчас же они везде: в умных часах, телефонах, телевизорах, напольных весах.
Устройства невозможны без полупроводниковых диодов и транзисторов, из которых состоят процессоры. Современные процессоры – это произведения технологического искусства, за которыми стоят сотни лет фундаментальных исследований, одни из самых высокотехнологичных приборов в истории человечества. Они постоянно развиваются, их мощности растут. Но все работают на одном принципе – на битах, т. е. единицах информации, которые могут принимать значения 0 и 1. Видео, аудио, тексты в Интернете – все это просто длинные строки 1 и 0, секретный язык электронных устройств, который они заботливо переводят в картинки и буквы.
Несмотря на огромные мощности компьютеров, для некоторых сложных задач все равно потребуются годы на обработку данных и выдачу результата. Big Data – это массивы разного рода данных, которые поступают с постоянно растущей скоростью и объемом. Сегодня большая часть записываемых данных попросту не обрабатывается или же анализируется с огромными погрешностями. Скажем, автомобильный навигатор не гарантирует, что вы не попадете в пробку и прогнозируемое время поездки не увеличится, потому что текущие алгоритмы не способны оценить и спрогнозировать ситуацию в целом городе. Именно поэтому человечество обратило внимание на кванты.
Ими назвали очень малые частицы, самые маленькие объекты нашего мира, и они крайне важны для решения множества цивилизационных задач. Как электрические сигналы стали битами, так и кванты становятся кубитами, гораздо более емкими ячейками информации в компьютерах нового поколения.
Квантовый компьютер – невероятно сложное устройство. Крайне тяжело создать квантовую систему, в которой содержится бесконечно огромное количество частиц, и при этом индивидуально контролировать каждую. Такой компьютер будто видит сразу все варианты ответа на заданный вопрос, просто с разной вероятностью.
Квантовые вычисления – это самое загадочное и пока еще не изученное направление науки. Сверхзадача состоит в том, чтобы открыть в обычном мире что-то новое, невиданное, решать задачи, которые еще даже не сформулированы. Основоположником квантовой физики считается немец Макс Планк (1858–1947), который предположил, что энергия излучается не постоянным потоком, а отдельными порциями, то есть квантами. А идею такого компьютера предложил американец Ричард Фейнман в 1981 году.
Многие качества этих частиц кажутся странными. Например, квантовую запутанность Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии». Или вот суперпозиция, то естьсуществование частиц в нескольких состояниях одновременно. В привычном мире это исключено: мы не можем находиться сразу в двух местах в один момент времени, а для квантовых объектов это реальность. На школьных уроках физики учат, что звуковая волна – это несколько волн с разными частотами, которые складываются и накладываются друг на друга. Точно так же квантовое состояние в суперпозиции можно рассматривать как линейную комбинацию других различных состояний. При прикладывании импульса к кубиту тот переходит из основного состояния спокойствия в возбужденное. Если же послать только часть импульса, кубит окажется в суперпозиции.
В качестве кубита может выступать фотон (и его поляризация), ядро или электрон. Все электроны имеют магнитное поле, поэтому они похожи на крошечные магниты. Это свойство называется спин. Попадая в магнитное поле, электрон поворачивается вдоль силовых линий, как стрелка компаса. Спин можно развернуть обратно, но для этого нужно приложить силу. Такие полярные положения спина напоминают значения 0 и 1, однако до того, как вы определите, направлен спин «вверх» или «вниз», электрон способен находиться в квантовой суперпозиции.
По сути, кубиты создают множество параллельных миров, в каждом из которых существует свое решение, а при вычислениях они собираются в один. Это качество суперпозиции можно использовать для ускорения вычислительных решений. Квантовый компьютер способен одновременно обрабатывать гораздо больше данных, чем возможно сегодня. Суперкомпьютер с десятками тысяч процессоров, но на традиционных физических принципах последовательно перебирает один вариант за другим. А квантовый компьютер может мгновенно обработать все возможные состояния. Задачу, на решение которой суперкомпьютеру понадобятся десятки тысяч лет, он одолеет за несколько минут.
Как выглядит компьютер будущего
В классических IT-технологиях основными приборами остаются транзистор и лазер. Они тоже основаны на квантовых принципах. Первый – результат развития квантовой теории твердого тела, второй – продукт квантовой физики. Оба работают одновременно с большим количеством квантовых объектов, то есть в них эффект проявляется на коллективном уровне. Теперь же стал возможен переход от управления коллективными квантовыми явлениями к управлению отдельными атомами, фотонами, ионами, электронами и т. д. и к изучению их индивидуальных квантовых свойств.
Возможны эксперименты, о которых отцы-основатели квантовой механики даже мечтать не могли. Австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер (1887–1961) сомневался в возможности работать с отдельными атомами, а сегодня ученые уже делают это.
Кубиты маленькие и работают с большим количеством ошибок. Чем больше кубитов, тем выше качество вычислений. Во всем мире разрабатываются квантовые платформы на базе сверхпроводниковых технологий, на фотонных чипах, на нейтральных (холодных) атомах и ионных ловушках. Вообще платформ гораздо больше, но внимание ученых приковано к четырем основным. Какая из них станет лидирующей, на данный момент неочевидно, все они находятся в стремительной гонке. Все выглядят по-разному, поэтому пока трудно предположить облик квантового компьютера. Например, для работы процессоров на базе сверхпроводников нужна температура 10 милликельвинов, а это минус 273,14 градусов Цельсия! Обратите внимание: минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной, составляет минус 273,15 градусов. Так что почти весь аппарат должен состоять из холодильных установок, чтобы обеспечить близкие к абсолютному нулю температуры.
Для работы процессоров на ионных ловушках нужна вакуумная камера, но такая, чтобы взаимодействовать с ионами. Для этого требуются сверхточные лазерные системы, довольно громоздкие лабораторные установки. Похожим образом выглядят системы квантовых компьютеров на холодных атомах: чтобы захватывать и удерживать нейтральные атомы, нужна оптическая решетка, создаваемая лазерами, несравнимыми по мощности с теми, что привычны в лазерных указках.
Цель создания любого квантового компьютера – изолировать кубиты в контролируемом квантовом состоянии. В данном случае важнее не компактность, а увеличение точности настраиваемых параметров, что позволит совершать меньше ошибок и решать более сложные задачи. Если однажды ученые смогут собрать квантовый компьютер с коррекцией ошибок на базе 300 кубит, эти кубиты вместят в себе больше единиц информации, чем частиц во Вселенной.
Какие проблемы
Прототипы квантовых компьютеров уже существуют. Ими занимаются Google, IBM, Intel, Microsoft и другие. Все технологически развитые страны, включая Россию, открывают крупные международные программы по развитию квантовых технологий.
В 2019 году Google объявил, что их компьютер Sycamore достиг квантового превосходства – способности решить задачу за пределами возможностей самых современных компьютеров. В Sycamore содержалось 53 кубита, и с задачей, на которую суперкомпьютер потратил бы 10 тысяч лет, он справился за три минуты. Чуть позже в Китае вышла научная статья, в которой говорилось о том, что американские ученые ошиблись, так как эту задачу на суперкомпьютере можно решить всего за несколько суток. Однако разница между минутами и сутками все равно ощутимая.
Россия в квантовой гонке тоже участник, а не зритель. Первый кубит у нас был получен в 2015 году, а первый двухкубитный алгоритм реализован в 2019-м. Сейчас работают первые двухкубитные компьютеры на базе сверхпроводников. В 2020 году Росатом создал национальную квантовую лабораторию и утвердил дорожную карту по развитию квантовых вычислений во всех четырех основных подходах. До конца 2024 года ученые планируют на каждой из них построить процессоры и реализовать квантовое превосходство.
По словам главы Национальной квантовой лаборатории и руководителя проектного офиса по квантовым технологиям Росатома Руслана Юнусова, квантовый компьютер в корне изменит рынок труда. Одни профессии исчезнут, другие появятся, а специалистам по программированию рано или поздно придется работать с новым «железом».
В 2021 году Центр квантовых технологий МГУ запустил облачную софтверную платформу для разработки алгоритмов. Делают ставку на разные платформы – и на холодных атомах, и на фотонах. Руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий физфака МГУ Станислав Страупе сообщил, что его исследовательская группа в качестве кубитов чаще использует атомы рубидия. Это тяжелый щелочной металл, его атомы очень маленькие, при охлаждении реже сталкиваются и меньше нагреваются.
Лидерами всемирной гонки остаются США и КНР. В прошлом году IBM представила квантовый процессор из 127 кубитов. Китай тоже достиг квантового превосходства на оптическом принципе: компьютер «Цзючжань» всего за несколько минут провел операцию, которая традиционным путем решалась бы около 2 млрд лет.
Крупные корпорации вкладывают большие средства в отрасль. Автопроизводители, как «Фольксваген» и «Мерседес-Бенц», используют прототипы квантовых компьютеров для моделирования химического состава аккумуляторных батарей, чтобы повысить производительность. Фармацевтические кампании интересуются анализом и сравнением соединений для создания новых препаратов.
Однако создание полноценного, настоящего квантового компьютера сопряжено с рядом технологических трудностей. Квантовое состояние частиц чрезвычайно хрупкое. Малейшая вибрация, электромагнитное излучение или изменение температуры (такие возмущения на квантовом языке называются шум) могут заставить выйти из суперпозиции до срока. Поэтому кубиты помещают в особые вакуумные и морозильные камеры.
Проблема в том, что при работе с неопределенными позициями кубитов получаемый конечный результат трудно измерить. Желание изолировать их от внешнего мира и при этом вмешиваться для считывания информации противоречат друг другу. Кубиты не любят долго взаимодействовать с окружением, их состояние портится, в вычислениях возникают ошибки быстрее, чем исследователи успевают исправлять.
Проблема эта чисто техническая, сравнима с задачей полета на Луну, которая стояла перед человечеством в прошлом веке. Ведь принцип реактивного движения был известен за несколько десятилетий до лунной миссии, но сложность состояла в создании ракеты достаточной грузоподъемности. Так и с квантовым компьютером: сложно создать большое число хороших кубитов. Но задача однажды будет решена, и тогда наша жизнь станет лучше или как минимум совершенно другой.
Полностью статья была опубликована в журнале «Человек и мир. Диалог», № 3(8), июль – сентябрь 2022.
