Кубиты вместо битов: какое будущее готовят нам квантовые компьютеры?

Одной из главных научных задач нашего времени стала гонка за создание первого полезного квантового компьютера. В ней участвуют тысячи физиков и инженеров. Свои концепты разрабатывают IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как мощное вычислительное устройство изменит наш мир, и почему это так важно?

Представьте на мгновение: полноценный квантовый компьютер создан. Он стал привычным и естественным элементом нашей жизни. О классических вычислениях теперь говорят только в школе, на уроках истории. Где-то глубоко в холодных подвалах мощные машины оперируют кубитами, чтобы поддерживать работу роботов, оснащенных искусственным интеллектом. Они выполняют все опасные и просто монотонные дела. Прогуливаясь по парку, вы смотрите по сторонам и видите всевозможных роботов. Человекоподобные существа выгуливают собак, продают мороженое, ремонтируют электропроводку, подметают территорию. Некоторые модели заменяют домашних любимцев.

Мы получили возможность раскрыть все тайны Вселенной и заглянуть внутрь самих себя. Медицина вышла на новых уровень — инновационные лекарственные препараты разрабатываются каждую неделю. Мы можем прогнозировать и определять, где находятся дефицитные ресурсы, такие как газ и нефть. Решена проблема глобального потепления, оптимизированы методы сбережения энергия, в городах больше нет пробок. Квантовый компьютер не только управляет всеми роботизированными машинами, но и обеспечивает свободное движение: следит за ситуацией на дорогах, корректирует маршруты и перехватывает управление у водителей в случае необходимости. Вот так может выглядеть квантовый век.

Квантовая золотая лихорадка

Перспективы применения поражают воображение, поэтому инвестиции в квантовые разработки растут с каждым годом. Мировой рынок квантовых вычислений оценили в 81,6 млн долларов США в 2018 году. Специалисты Market.us предполагают, что к 2026 году он достигнет 381,6 млн долларов США. То есть будет увеличиваться в среднем на 21,26% в год с 2019 по 2026.

Этот рост стимулируется растущим использованием квантовой криптографии в приложениях безопасности и обусловлен инвестициями заинтересованных сторон рынка квантовых вычислений. К началу этого года, по данным анализа научного журнала Nature, частные инвесторы профинансировали по меньшей мере 52 компании по квантовым технологиям во всем мире. Над созданием практически применимого квантового компьютера бьются такие крупные игроки, как IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.

Да, пока денежные средства, поступающие в эту область ежегодно, представляют собой небольшие затраты (для сравнения: в 2018 году инвестиции в ИИ составили 9,3 млрд долларов США). Но эти цифры существенны для незрелой отрасли, которая еще не может похвастаться показателями эффективности.

Решение квантовых задач

Нужно понимать, что на сегодняшний день технология все еще находится в зачаточном состоянии. Удалось создать только прототипы квантовых машин, единичные экспериментальные системы. Они способны исполнять фиксированные алгоритмы небольшой сложности. Первый 2-кубитный компьютер был создан в 1998 году, и человечеству потребовался 21 год, чтобы довести устройства до должного уровня, так называемого, «квантового превосходства». Этот термин ввел в обращение профессор Калифорнийского технологического института Джон Прескилл. И он означает способность квантовых устройств решать задачи быстрее самых мощных классических компьютеров.

Прорыв в этой области совершила калифорнийская компания Google. В сентябре 2019 года корпорация заявила, что их 53-кубитное устройство Sycamore за 200 секунд справилось с вычислением, на выполнение которого у самого современного суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Заявление вызвало много споров. В IBM с такими расчетами категорически не согласились. В своем блоге компания написала, что их суперкомпьютер Summit справится с такой задачей за 2,5 дня. И все, что для этого нужно, — увеличить емкость дискового хранилища. Хоть на деле разница оказалась не такой колоссальной, Google действительно первой достигла «квантового превосходства». И это является важной вехой в компьютерных исследованиях. Но не более того. Подвиг Sycamore носит исключительно демонстрационный характер. Он не имеет практического применения и бесполезен для решения реальных задач.

Основной проблемой является аппаратное обеспечение. Если традиционные вычислительные биты имеют значение 0 или 1, то в странном квантовом мире кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно. Это свойство называется суперпозицией. Кубиты похожи на крутящихся волчков: вращаются одновременно и по часовой стрелке, и против, двигаются и вверх, вниз. Если находите это запутанным, то вы в отличной компании. Ричард Фейнман как-то сказал: «Если думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете». Смелые слова от человека, который получил Нобелевскую премию за … квантовую механику.

Итак, кубиты крайне нестабильны и подвержены внешним воздействиям. Проезжающая под окнами лаборатории машина, внутренний шум системы охлаждения, пролетающая космическая частица — любая случайная помеха, любое взаимодействие нарушает их синхронность и они декогерируют. Это губительно для вычислений.

Ключевой вопрос для развития квантовых вычислений заключается в том, какое аппаратное решение из множества исследованных будет обеспечивать стабильность кубитов. Тот, кто решит проблему нарушения когерентности и сделает квантовые компьютеры такими же распространенными, как графические процессоры, получит Нобелевскую премию и станет самым богатым человеком на свете.

Путь к коммерциализации

В 2011 канадская компания D-Wave Systems Inc. первой стала продавать квантовые компьютеры, хотя их полезность ограничена определенными математическими задачами. А в ближайшие месяцы миллионы разработчиков смогут начать использовать квантовые процессоры через облако — IBM обещает предоставить доступ к своему 53-кубитному устройству. Пока в рамках программы под названием Q Network такую привилегию получили 20 компаний. Среди них производитель техники Samsung Electronics, автопроизводители Honda Motor и Daimler, химические компании JSR и Nagase, банки JPMorgan Chase & Co. и Barclays.

Большинство компаний, эксперементирующих сегодня с квантовыми вычислениями, рассматривают их как неотъемлемую составляющую будущего. Сейчас их главная миссия — узнать, что работает в квантовых вычислениях, а что нет. И быть готовыми первыми внедрить технологию в бизнес, когда она будет готова.

Транспортные организации. Volkswagen совместно с компанией D-Wave разрабатывает квантовое приложение — систему управления дорожным движением. Новая программа даст возможность общественным транспортным организациям и компаниям такси в крупных городах более эффективно использовать свой автопарк и минимизировать время ожидания пассажиров.

Энергетический сектор. ExxonMobil и IBM продвигают применение квантовых вычислений в энергетике. Они сосредоточены на разработке ряда новых энергетических технологий, повышении энергоэффективности и сокращении выбросов парниковых газов. Масштабы и сложность задач, с которыми сталкивается энергетический сектор, выходят за рамки современных традиционных компьютеров и хорошо подходят для тестирования на квантовых.

Фармацевтические компании. Accenture Labs сотрудничает с 1QBit, компанией-разработчиком квантового программного обеспечения. Всего за 2 месяца от исследовательского дела они перешли к проверке концепции — применению приложения по моделированию сложных молекулярных взаимодействий на атомных уровнях. Благодаря мощности квантовых вычислений появилась возможность анализировать более крупные молекулы. Что это даст обществу? Инновационные препараты с наименьшими побочными эффектами.

Финансовый сектор. Технологии, основанные на принципах квантовой теории, все больше привлекают интерес банков. Они заинтересованы в том, чтобы как можно быстрее обрабатывать транзакции, сделки и другие типы данных. Свои эксперименты по разработке специализированного программного обеспечения уже ведут Barclays и JP Morgan Chase (с IBM), а также NatWest (с Fujitsu).

Принятие со стороны таких крупных корпораций и появление предприимчивых квантовых пионеров говорят о коммерческой жизнеспособности кванта. Мы уже видим, как квантовые вычисления применяют для задач реального мира — от повышения энергоэффективности до оптимизации маршрутов автотранспорта. И что важно, ценность технологии будет расти по мере развития.