Сегодня мы рассматриваем новые видеокарты, большее количество процессоров или объем оперативной памяти, но в мире есть гораздо более быстрые и эффективные устройства, которые полностью меняют подход к скорости. Конечно, речь идет о квантовых компьютерах, использующих кубиты. Как это работает и что умеет?
Квантовые компьютеры не так молоды, как может показаться. Первые машины, использующие эту технологию, были разработаны в начале 1990-х годов, а известны они были десятью годами ранее. Именно тогда Пол Бениофф из Аргоннской национальной лаборатории в США обратил внимание на возможность использования квантовой физики для создания компьютера, используя новаторское исследование Ричарда Феймана в 1969 году. В середине 1980-х Дэвид Дойч из Оксфорда, Великобритания, подробно описал свою теорию работы, и польский ученый-компьютерщик Артур Экерт, также студент английского университета, начал работать над этой работой. Результатом совместной работы стала теория, которую Питер Шор превратил в восхитительный фрукт в 1994 году, создав код, позволяющий разложить очень большие числа на простые продукты с помощью квантового компьютера.
Самый важный элемент квантового компьютера — кубиты, а не биты
Первые реализации квантовых вычислений были представлены в 1995 году. Уже тогда можно было построить банки, обрабатывающие кубиты (то есть элементарные частицы, например фотоны или электроны). Первый, теоретически работающий квантовый компьютер был представлен компанией D-Wave Systems в 2007 году. В то время это была система из 128 кубитов, но ученые расходятся во мнениях относительно того, мог ли он использовать кубиты или просто описал ее детальную структуру. Однако компания пошла дальше и в 2009 году разработала для Google подходящее устройство, которое помогало искать различные типы изображений. Дальнейшая судьба технологии разлетелась, как взлет ракеты, и многие компании пытались разработать эти машины, чтобы открыть совершенно новые вычислительные возможности.
Стоит записать, как именно работают кубиты и чем они отличаются от битов, которые мы знаем сегодня. Во-первых, бит — это старая технология, которая выполняет все вычисления с использованием нулей и единиц. Этот простой механизм позволяет доставлять электроэнергию в нужное место и создавать определенные комбинации базовой информации. Каждый такой ноль или единица — это всего лишь бит. Сегодня, когда код создается на компьютере, он создается в системе с нулевой единицей, так что компьютер знает, когда что-то включать и как действовать. Здесь не может быть ошибки. Однако у этого режима работы есть некоторые недостатки и технические ограничения. Кубит, в свою очередь, представляет собой гораздо более продвинутую систему, основанную на квантовой физике.
В 1969 году выдающийся квантовый физик Ричард Фейнман (лауреат Нобелевской премии) представил свое исследование по описанию столкновений адронов высоких энергий, расщепленных на молекулы нуклонов (то есть известные нам протоны и нейтроны, составляющие ядро каждого атома). Они состоят из кварков или фермионов, которые подвержены сильным взаимным взаимодействиям. Их просто нужно привести в движение, что в 1996 году нескольким ученым удалось построить машину, использующую явление магнитно-резонансной томографии. Его можно было запрограммировать благодаря радиоимпульсам, и с этого начались дальнейшие работы по развитию этой технологии. Короче говоря, кубит обычно представляет собой квантовую позицию нулей и единиц, что означает, что результатом вычисления может быть группа или полугруппа из многих строк нулей. Это позволяет значительно ускорить исследования, поскольку кубит может выполнять несравненно больше параллельных вычислений, чем традиционная двоичная система.
Сегодня, в 2021 году, у нас уже есть как минимум несколько хорошо функционирующих квантовых компьютеров. Около 8 месяцев назад Google хвастался, что их подразделение провело самое продвинутое химическое моделирование в истории. Для этого использовался 54-кубитный компьютер, но использовалось всего 12 кубитов. Однако даже тогда это моделирование было выполнено в два раза быстрее, чем самый быстрый на тот момент результат, полученный на классических суперкомпьютерах. Известна также история создания случайного набора чисел в двоичной системе, чтобы убедиться, что их распределение действительно случайное. Здесь тоже был задействован квантовый компьютер Google, который справился с этой задачей чуть более чем за 3 минуты.
Затем точно такую же работу доверили чуть ли не самому быстрому суперкомпьютеру в мире — модели Summit мощностью более 200 петафлопс (она занимала пальму первенства до июня 2020 года). Разница в скорости буквально сбила ученых с ног, потому что Summit, по словам сотрудников Google, проделал бы те же вычисления чуть более чем за 10 000 лет. Позднее IBM опровергла эту информацию, предположив, что самый быстрый суперкомпьютер выполнит ту же задачу примерно за 2,5 дня. В любом случае разница будет значительной.
Это показывает огромную мощь квантовых компьютеров, поэтому они так стремительно совершенствуются и строятся. Они могут помочь нам с очень сложными вычислениями, сделав их всего за несколько минут. Известен случай китайской модели такого агрегата под названием Jiuzhang. Здесь результаты гораздо более впечатляющие, потому что ученые за 180 секунд произвели расчеты, на которые у третьего в мире суперкомпьютера уйдет 2,5 миллиарда лет. Самый быстрый в настоящее время «Фугаку» в Японии выполнил бы ту же задачу примерно за 600 миллионов лет. Различия невероятные. К сожалению, квантовые компьютеры, скорее всего, никогда не попадут в наши дома и не будут использоваться в качестве следующего поколения при разработке ПК.
Все потому, что кубиты чрезвычайно уязвимы к изменению климата. Они должны храниться при постоянной температуре, близкой к абсолютному нулю (то есть около -273 градусов по Цельсию), что может быть произведено только в строго контролируемых лабораторных условиях. Следовательно, квантовые суперкомпьютеры помогут в открытии космоса, в развитии медицины или химических расчетов, но они будут делать это только из огромных, соответствующим образом приспособленных комнат. Уже есть научные соображения о том, насколько сильно сила кубитов повлияет на изобретение лекарств практически от каждой болезни. Если в 2021 году мы сможем ускорить самые сложные вычисления более чем в 100 триллионов раз, что мы сможем сделать через двадцать лет?
Квантовые компьютеры по-прежнему остаются великим неизвестным и только началом пути
IBM активно участвует в разработке квантовых компьютеров для медицинских лабораторий. Можно сказать, что американцы вместе с китайцами находятся в авангарде разработки таких агрегатов. К 2023 году США планируют создать компьютер с более чем 1000 кубитами. Цель на следующие годы — постепенно увеличивать их количество, достигнув более миллиона единиц. Он даже не пытается представить, насколько быстрым будет квантовый компьютер, построенный таким образом. Стоит добавить, что в основе работы таких устройств лежит достижение квантового превосходства, то есть способность выполнять вычисления и решать задачи, практически недоступные классическим, хорошо известным компьютерам.
В ближайшие месяцы IBM представит квантовый компьютер, оснащенный 433 кубитами, что позволит развивать технологии, способные преодолеть невообразимые сегодня ограничения для людей. Компания также построит первое устройство такого типа в Европе. Самым популярным приложением для квантовых компьютеров станет разработка искусственного интеллекта. Это вызывает некоторые опасения, что мы столкнулись с огромным прогрессом в автоматизации определенных процессов на заводах или в повседневной жизни. Вам больше не понадобится мужчина для выполнения многих дел, достаточно самообучающейся машины. А поскольку искусственный интеллект может развиваться сам по себе, благодаря мощности квантовых компьютеров он сможет функционировать независимо и, возможно, даже захватить мир и уничтожить людей.
В конце концов, мы знаем случай с путешественником во времени Уильямом Тейлором, который приземлился в 8793 году нашей эры и увидел там полулюдей и полу роботов, а человек мог жить вечно. Его послали исследовать наше будущее люди из британского правительства, и связанный с ним детектор лжи даже не сдвинулся с места, когда история была рассказана. Так что, возможно, в этом есть доля правды, в конце концов, мы даже не знаем о многих вещах. НЛО подтвердил в прошлом году Пентагон, который знает, какие еще секреты скрывают от «обычного» гражданина. Еще в 1930 году Альберт Эйнштейн обнаружил, что путешествия во времени возможны, и в Интернете можно найти множество фотографий объектов, принадлежащих людям, которым не разрешалось находиться в определенном месте и в определенное время.
Конечно, я надеюсь, что массовое истребление человека прямо из фильмов никогда не произойдет, но производительность квантовых компьютеров нам мало известна, а вычисления, выполняемые внутри кубитов, все еще имеют определенный процент случайности, поэтому они должны повторяться много раз. Это, конечно, не идеальная технология, но до сих пор человек не придумал ничего более быстрого. IBM уже строит специальный криостат, наполненный жидким гелием, который позволит построить квантовый компьютер с миллионом кубитов .
Это не только обсуждения, но и конкретные продуманные планы развития. К работе подключились даже несколько стартапов и крупных компаний, в т.ч. Программа для создания групп Q-CTRL, позволяющая управлять отдельными кубитами. Устройство емкостью всего 1000 кубитов, в свою очередь, будет способно обнаруживать и устранять бесчисленные ошибки и уязвимости, созданные в Интернете в области шифрования данных. Только подумайте, что мировые державы, военные или НАСА могут сделать с такой мощью, планируя колонизировать Марс. Можно сказать, что научная фантастика происходит прямо на наших глазах.