Серьезные квантовые компьютеры готовы к работе. На что они способны?

В небольшой лаборатории в пышной сельской местности в сотне километров к северу от Нью-Йорка с потолка свисает сложная путаница трубок и электроники. Это компьютер, пусть и беспорядочный на вид. И это не самый обычный компьютер. Возможно, на его роду написано стать одним из важнейших в истории. Квантовые компьютеры обещают производить вычисления далеко за пределами досягаемости любого обычного суперкомпьютера. Они могут произвести революции в сфере создания новых материалов, позволив имитировать поведение материи вплоть до атомного уровня. Они могут вывести криптографию и компьютерную безопасность на новый уровень, взламывая доныне неприступные коды. Есть даже надежда, что они выведут искусственный интеллект на новый уровень, помогут ему более эффективно просеивать и перерабатывать данные.

И только сейчас, спустя десятилетия постепенного прогресса, ученые, наконец, приблизились к созданию квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы делать то, что обычные компьютеры делать не могут. Этот ориентир красиво называют «квантовым превосходством». Движение к этому ориентиру возглавляет Google, за ним следуют Intel и Microsoft. Среди них — хорошо финансируемые стартапы: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits и другие.

И все же никто не может сравниться с IBM в этой области. Еще 50 лет назад компания добилась успехов в области материаловедения, которая заложила основы для компьютерной революции. Поэтому в прошлом октябре MIT Technology Review отправились в Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM, чтобы ответить на вопрос: в чем квантовый компьютер будет хорош? Можно ли построить практический, надежный квантовый компьютер?

Зачем нам нужен квантовый компьютер?

Этот исследовательский центр, расположенный в Йорктаун-Хайтс, немного похож на летающую тарелку, как и задумывалось в 1961 году. Он был спроектирован архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построен во время расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM была крупнейшей компьютерной компанией в мире, и за десять лет строительства исследовательского центра она стала пятой крупнейшей компанией в мире, сразу после Ford и General Electric.

Хотя коридоры здания смотрят на деревню, дизайн таков, что ни в одном из офисов внутри нет окон. В одной из таких комнат и обнаружился Чарльз Беннет. Сейчас ему 70, у него большие белые бакенбарды, он носит черные носки с сандалиями и даже пенал с ручками. В окружении старых компьютерных мониторов, химических моделей и, неожиданно, небольшого диско-шара, он вспоминал рождение квантовых вычислений так, будто это было вчера.

Когда Беннетт присоединился к IBM в 1972 году, квантовой физике уже было полвека, но вычисления все еще полагались на классическую физику и математическую теорию информацию, которую Клод Шеннон разработал в MIT в 1950-х годах. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин он популяризовал, но не изобрел), необходимых для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, легли в основу традиционных вычислений.

Спустя год после прибытия в Йорктаун-Хайтс Беннетт помог заложить основу для теории квантовой информации, которая бросила вызов предыдущей. Она использует причудливое поведение объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица может существовать в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций) одновременно. Две частицы также могут «запутываться», так что изменение состояния одной мгновенно отзывается на второй.

Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, которые занимают слишком много времени или вообще невозможны, можно было бы эффективно проводить при помощи квантовых явлений. Квантовый компьютер хранит информацию в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в огромном числе состояний. Сравнивать квантовые и классические компьютеры не совсем правильно, но, выражаясь фигурально, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов может производить больше вычислений одновременно, чем атомов в известной вселенной.

Летом 1981 года IBM и MIT организовали знаковое мероприятие под названием «Первая конференция по физике вычислений». Оно проходило в отеле Endicott House, особняке во французском стиле недалеко от кампуса MIT.

На фото, которое Беннетт сделал во время конференции, на лужайке можно увидеть некоторых из самых влиятельных фигур в истории вычислительной и квантовой физики, включая Конрада Зузе, который разработал первый программируемый компьютер, и Ричарда Фейнмана, внесшего важный вклад в квантовую теорию. Фейнман держал на конференции ключевую речь, в которой поднял идею использования квантовых эффектов для вычислений.

«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».

Квантовый компьютер IBM — один из самых перспективных из всех существующих — расположен прямо по коридору от офиса Беннетта. Эта машина предназначена для создания и манипуляции важным элементом квантового компьютера: кубитами, которые хранят информацию.

Пропасть между мечтой и реальностью

Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.

Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.

В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при 50 кубитах это будет практически невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.

Но ученые из IBM скажут вам, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все 50 кубитов работали идеально, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.

«Если бы у вас было 50 или 100 кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».

Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.

Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM. «Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы».

Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.

Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.

В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.

Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.

Что для физика мечта, для инженера кошмар

«Шумиху подталкивает осознание того, что квантовые вычисления реальны», говорит Айзек Чуань, профессор MIT. «Это уже не мечта физика — это кошмар инженера».

Чуань руководил разработкой самых первых квантовых компьютеров, работая в IBM в Альмадене, Калифорния, в конце 1990-х – начале 2000-х годов. Хотя он больше не работает на них, он также считает, что мы находимся в начале чего-то очень большого и что квантовые вычисления в конечном итоге сыграют роль даже в развитии искусственного интеллекта.

Он также подозревает, что революция не начнется, пока новое поколение студентов и хакеров не начнет играть с практическими машинами. Квантовые компьютеры требуют не только иных языков программирования, но и принципиально иного способа мышления о программировании. Как говорит Гамбетта, «мы на самом деле не знаем, что эквивалентно «Привет, мир» на квантовом компьютере».

Но мы начинаем искать. В 2016 году IBM соединила небольшой квантовый компьютер с облаком. Используя инструмент для программирования QISKit, вы можете запускать простейшие программы; тысячи людей, от академиков до школьников, уже создавали программы на QISKit, которые обрабатывают простые квантовые алгоритмы. Теперь Google и другие компании также пытаются вывести квантовые компьютеры в онлайн. Они не способны на многое, но дают людям возможность прочувствовать, что такое квантовые вычисления.