В IT склалася передреволюційна ситуація, хоча в курсі того, що відбувається, залишаються лише деякі зацікавлені і ще більш вузьке коло фахівців. А тим часом вже цього року очікується подія історичного масштабу: квантові комп'ютери, розробка яких триває вже понад три десятиліття, вперше зможуть проводити обчислення, недоступні для найпотужніших суперкомп'ютерів традиційної кремнієвої архітектури. Якщо очікування виправдаються, скоро ми вступимо в еру «квантової переваги». Але хоча назва для цієї епохи давно придумана, що нас у ній чекає, не знає поки ніхто.
Стенд компанії Intel на конференції споживчої електроніки CES в Лас-Вегасі, що пройшла на початку року, як зазвичай, був заповнений журналістами і техноблогерами. Новинки найбільшого виробника мікрочіпів завжди потенційно цікаві, хоча в останні роки ці оновлення - трохи більше ядер, трохи менше енергоспоживання - все рідше привертають увагу публіки. Однак цього разу технологічному гіганту дійсно було чим похвалитися: відвідувачам показали квантовий процесор Tan^ Lake, здатний - нехай теоретично і лише в деяких завданнях - робити те, що поки було під силу лише кращим суперкомп'ютерам.
Tan^ Lake ні розмірами, ні формою не надто виділяється на тлі звичайної продукції Intel. Але принципи, на яких він працює, далекі від тих, на яких побудована традиційна електроніка. Замість мільярдів транзисторів на новій мікросхемі є всього 49 елементів. І це не напівпровідникові перемикачі струму, а кубіти («квантові біти»), елементарні комірки, здатні працювати з квантовою інформацією. В даному випадку вони являють собою крихітні надпровідні антени.
Це не єдиний варіант отримати кубіти для квантового комп'ютера, але в даному випадку важливіше їх число. 49 не рекорд: ще до презентації Tan^ Lake компанія IBM розповіла про роботу над квантовим комп'ютером на 50 кубіт, а група під керівництвом гарвардського фізика Михайла Лукіна зробила експериментальний 51-кубітний обчислювач. Легко помітити, що всі ці проекти побудовані навколо цифри в півсотні кубіт: саме на ній зазвичай встановлюють планку, після якої варто очікувати настання «квантової переваги».
Перевага невизначеності
Використовувати для розрахунків поведінки квантових систем не звичайні комп'ютери, а інші квантові системи, які могли б грати роль спрощеної моделі, запропонував ще Річард Фейнман в 1981 році. Справедливості заради варто додати, що ідея, мабуть, витала в повітрі: майже за рік до того її висловлював радянський математик Юрій Манін. Насправді, трудність, з якою стикаються звичайні комп'ютери при моделюванні таких систем, полягає в самій їх квантовій природі, в невлаштованій невизначеності параметрів взаємодіючих частинок.
Три типи квантових комп'ютерів. 1. Квантовий випалювальний пристрій
Найменш універсальна форма квантового комп'ютера. Його найлегше побудувати, однак він здатний виконувати лише дуже обмежене коло завдань, пов'язаних з оптимізацією. Багато експертів сумніваються в тому, що такий пристрій може мати будь-які переваги перед традиційним комп'ютером. Застосування: завдання на оптимізацію Універсальність: обмежена. Обчислювальна потужність: не перевищує традиційної
Припустимо, нам потрібно порахувати, як поведеться атом, якщо ми направимо на нього фотон; для цього нам потрібно з'ясувати поляризацію фотона. Єдиний спосіб зробити це - провести вимірювання, а до цього поляризація залишиться невизначеною: фізики говорять про суперпозицію, накладення можливих значень. Для розрахунків всі варіанти повинні бути розглянуті окремо, і в нашому прикладі це займе вдвічі більше часу, ніж якщо б потрібні параметри поляризації були відомі. Більш того, варто почати додавати в систему інші компоненти (кілька атомів, кілька фотонів), і невизначеності доведеться перемножувати, а складність обчислень зросте експоненційно.
Ідея квантового комп'ютера полягала в тому, щоб звернути нестачу в гідність: використовувати для обчислень саму невизначеність, яка так ускладнює звичайні розрахунки. Уявімо, що вам потрібно підібрати пароль, у якого невідомі останні два біти. Тут можливі чотири комбінації: 00, 01, 10 і 11. У класичному випадку кожен з них необхідно рахувати окремо: підставити його в потрібне місце і перевірити результат. Однак якщо носієм інформації стане квантовий об'єкт - наприклад, два кубіти з суперпозицією поляризації, - то всі чотири комбінації можна буде перевірити одночасно.
2. Аналоговий квантовий комп'ютер
Дозволить проводити симуляцію складних квантових взаємодій, які недоступні для моделювання на будь-яких традиційних комп'ютерах. Вважається, що аналоговий квантовий комп'ютер буде містити від 50 до 100 кубітів. Застосування: квантова хімія, розробка нових матеріалів, завдання на оптимізацію, семплювання, квантова динаміка. Універсальність: часткова. Обчислювальна потужність: висока
Якщо правильна комбінація можливих станів кубітів існує, можна не сумніватися, що вони приймуть і її теж. Головне - організувати взаємодію між ними так, щоб ми змогли прочитати і зрозуміти відповідь. Міць квантових комп'ютерів полягає саме в експоненційно зростаючому числі операцій, які можна зробити за один крок. Система, що складається з двох кубітів, дозволяє одночасно розглянути чотири варіанти розвитку подій, система з чотирьох - 16. Після 50, як ми пам'ятаємо, настає «квантова перевага», а на число комбінацій всіх можливих станів квантового комп'ютера з 300 кубітів вже не вистачить атомів у Всесвіті.
Щоб взяти цю планку, нам знадобляться фізичні носії кубітів. У цій ролі можуть виступати окремі атоми, здатні перебувати в різних енергетичних станах, або дефекти кристалічної структури («вакансії»), що несуть спин різного напрямку, або навіть відносно великі об'єкти - як ті надпровідникові антени, на яких побудований Tan^ Lake. Який саме варіант стане стандартом в майбутньому, поки сказати важко. Так свого часу було з електричною лампою: фізика зрозуміла, але інженерних рішень запропоновано цілий букет. Тільки досвід застосування покаже гідності, недоліки і перспективи різних систем.