Квантовое превосходство: что это такое и почему об этом поспорили Google и IBM
В среду Google заявила о прорыве в создании квантового компьютера, охарактеризовав его как «квантовое превосходство». По заявлению компании, этот прорыв позволит создавать новые компьютеры, способные делать вычисления на недостижимых для сегодняшних технологий скоростях.
Над квантовым компьютером работают уже почти 13 лет. Google заявляет, что такое устройство способно выполнять задачи, с которыми не справляются нынешние машины: по сравнению с ним даже суперкомпьютеры кажутся игрушками.
Достижение заключается в том, что их компьютеру потребовалось чуть больше трёх минут на вычисления, которые у обычного суперкомпьютера заняли бы 10 тысяч лет, утверждает компания.
Учёные сравнивают заявление Google с первым полётом братьев Райт, которое послужило доказательством: полеты реальны, хотя тогда было понятно, что потребуются годы на раскрытие потенциала технологии.
Однако другие исследователи не спешат с выводами: ещё многое нужно сделать, чтобы квантовые компьютеры применялись за пределами лабораторий.
Ещё более скептично настроена компания IBM. В своём блоге она заявила, что Google ошиблась на 150 млн процентов. По мнению специалистов IBM, ИТ-гигант спекулирует на теме «квантового хайпа», а математическая операция, приведённая в пример, заняла бы на современном компьютере всего два с половиной дня.
Квантовые компьютеры работают по совершенно другому принципу. Обычные компьютеры обрабатывают биты информации в двоичном коде, а квантовый оперирует кубитами. На уровне квантовой механики один кубит может содержать два значения сразу — 1 и 0, и они существуют одновременно.
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Такие монстры могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики, создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Недавно на прошедшем в «Сколково» форуме «Открытые инновации» Дмитрий Зауэрс, зампред правления «Газпромбанка», финансирующего работу Российского квантового центра (РКЦ), заявил, что люди, которые первыми построят квантовый компьютер, «будут владеть миром».
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий
Россия, по оценке Зауэрса, пока отстаёт в вопросе «железа» на пять-десять лет, но у неё есть шанс наверстать и даже перегнать западных конкурентов в ПО, использующего логику квантовых вычислений.
В целом банки, по его мнению, смогут обеспечить квантовую защиту удалённых устройств, таких как банкоматы, уже через два-три года. Кроме того, «любая банковская организация может позволить себе защиту передачи ключей между ЦОД с применением технологий квантовой защиты», говорил зампред ГПБ.
По информации агентства ТАСС, «Газпромбанк» — один из первых и самых больших инвесторов Российского квантового центра, одного из ведущих разработчиков квантовых технологий в России, в том числе систем квантовых вычислений. По инициативе Зауэрса три года назад РКЦ и «Газпромбанк» совместно запустили первые квантовые сети в России.
Расчёты Google неверны, уверены в IBM: в условиях идеальной симуляции, на обычном компьютере математическая операция, приведённая компанией, заняла бы два с половиной дня с большей точностью.
«Квантовое превосходство» было предложено в качестве термина американским физиком-теоретиком Джоном Прескиллом в 2012 году. Он означает момент, когда квантовые компьютеры будут уметь делать вещи, на которые неспособны обычные компьютеры.
Современные квантовые компьютеры этого не достигли, считают специалисты IBM.
«Концепция “квантового превосходства” предполагает наличие уникальных особенностей квантовых компьютеров, таких как квантовая запутанность и суперпозиция. Однако обычные компьютеры имеют такие ресурсы, как иерархия памяти и точные вычисления в “железе”, различные программы, а также обширная база знаний алгоритмов. И важно при сравнении учитывать все эти возможности», — говорится в публикации в блоге компании.
Тем не менее, как отмечает глава исследовательской лаборатории IBM Дарио Гил, квантовые технологии всё же становятся ближе к реальности. К 2020 году они уже будут использоваться для коммерческого и научного спектра задач, считает он. Однако в будущем квантовые компьютеры будут работать «рука об руку» с обычными, считают в компании.
Нужно было посчитать сумму всех спижженых денег в России за последние 20 лет.
Моя любимая картиночка.
А, собсно, что не так? Тут новые властители мира рождаются. Обидно осознавать, что твоя страна даже не в лонг-листе претендентов :((
А что лично ты сделал, чтобы родина встала с колен? Налоги-то хоть с полной зарплаты платишь?
Да. Еще не занимаюсь незаконными делами и с 6 лет не бросаю мимо мусорки. Что ни на миллиметр не улучшило бюджет, криминальную обстановку и экологию.
Конечно не на миллиметр, а меньше, но улучшило.
Александр тут не причем, оплата налогов ни как не влияет на рост экономики напрямую, важно не просто собрать налоги, но и создать условия для их полной собираемости и важно создать климат для развития бизнеса, а для этого важно исключить государство из бизнеса максимально, как минимум прямое участие и влияние государства снизить до минимума, а пока государство напрямую лезет в бизнес, бизнес никогда не станет развиваться, это не мои слова, а слова доктора наук по экономике, ну и ни одного, а нескольких, так же государство не должно лесть в политику ЦБ, так как это пагубно влияет на экономику в целом, после вмешательства гос структур, всегда в экономике начинаются проблемы, на фоне этих проблем гос структуры начинают убеждать общество страны через СМИ, о необходимости очередного гос вмешательства в ЦБ и в экономику и бизнес, но тем самым делают еще хуже экономике и тем самым создавая новое оправдание своего нового вмешательства, хотя на самом деле нужно перестать на прямую вмешиваться в ЦБ и в экономику и бизнес. Регуляцию экономики, бизнеса и рост обоих можно производить за счет коммерческих негосударственных структур таких как страховые компании, банки, аудиторы, рейтинговые агенства, консалтинговые, собственно для этого они и нужны, к примеру прежде чем откроется клуб или кафе в центре города, обязать все заведения страховать здание, тем самым страховые компании будут проводить аудит здания, так как они не будут выдавать страховку без жизнеспособного ремонта и систем пожарной безопасности, а сейчас это делает МЧСы, Участковые и тем самым на ровном месте создается целый плацдарм для коррупции, а страховой не выгодно заниматься коррупцией потому что она несет финансовую ответственность за нарушения, при наступлении страхового случая придется отвечать за нарушения рублем. А сейчас ни кто фактически никакой ответственности не несет, что неоднократно уже мы наблюдали с зимней вишней, хромой лошадью, это только громкие случаи, мы не знаем сколько людей погибло всего. Это лишь один пример неграмотного выстраивания гос управления, так же сейчас понижается ключевая ставка, уже до исторического минимума дошли, понижение происходит из за давления на руководство ЦБ администрацией президента, якобы надо для разгона экономики, но все понимают что администрацию президента в частности, не интересует вопрос поднятия экономики, их интересуют рейтинги, электорат и прочие президентские утехи, это как бы тоже одна из причин важности статуса независимости ЦБ. А вот президент должен в этих реальных условиях уже думать над законопроектами и прочим, а сейчас все наоборот, все думают как ему угодить. Например еще появился у нас роскомнадзор, который вообще непонятно чем занимается, по мне так просто растрачивает бабки бюджетные, но по факту это попытка влиять на онлайн бизнес, но завуалирована она под защиту гражданского общества от терроризма, но адекватные люди понимают, что бороться со следствием это так же глупо, как бриться каждый день с надеждой о том что когда нибудь перестанет расти борода с усами, короче говоря бороться надо с причиной, а не со следствием. А упрекать людей в том, что они не платят налоги или, что он платит не со всей суммы, это глупая борьба со следствием, а не с причиной, для начало нужно устранить причину по которой люди не хотят платить налоги, тогда и платить начнут все за милую душу. Например я обязал какой нибудь гос орган, брать с вас по 100 р в месяц, на содержание газонов города, потому что мне не нравиться что они в плохом состоянии, начал менять газон во всей стране, зимой вы мне скажите, а какого хера ты с меня берешь бабки за газон, если его снегом завалило, тогда я начну брать с вас еще и за уборку снега с газона, на что вы мне ответите да нах мне твой газон и снег на нем не нужны, откажитесь платить дань, так вот и тут так же с налогами, у всего есть причина, ее нужно устранять, а не пытаться приглушить, ради рейтингов и электората.
Истинная причина по которой правительство лезет в бизнес и экономику, это попытка всюду все контролировать, что бы каждая собака понимала кто здесь власть, но на выходе мы видим обратную картину, развития нету, госы душат бизнес уже на старте, по этой причине в рф незарегистрированно ни одного стартапа официально, все через оффшоры и оншоры, тут налоги вообще не причем как бы, так же повышение НДС до 20% это просто удавка для начинающего бизнеса, в то время когда он должен развиваться и вкладывать в развитие, наше «умное» государство начинает брать с организации 20% с каждой продажи своего продукта, вообще НДС придумали для того что бы бороться с перепроизводством, то есть по законам капитализма в наших реалиях нужно этот налог вообще убрать для всех, кроме тех кто генерит прибыль свыше лярда, а вместо этого мы получаем его повышение, так же 6 лет подряд доходы населения в реальном выражении падают, а значит падает и покупательская способность, что говорит о том что поднимать НДС нельзя, это катастрофа для экономики, но подарок для силовиков которые будут во время катастрофы защищать администрацию. Так что изучите мат часть, потом поговорим с вами про налоги.
А вот комментарий от реального бизнеса, который занимается производством.
Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры
В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.
Читайте «Хайтек» в
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.
Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.
В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.
Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.
Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.
Что означает формулировка «квантовое превосходство»?
Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.
В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.
Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».
Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.
Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.
Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.
В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.
Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.
Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.
Чем еще он может заниматься?
Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.
Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.
Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.
Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств
А что в России?
Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.
Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.
В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.
В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.
Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.
Научно-
образовательный
портал IQ
Превосходный результат
© IBM Research / flickr
23 октября группа Джона Мартиниса, руководителя Google Quantum AI Lab, отчиталась о том, что их компьютер Sycamore достиг «квантового превосходства» — за 200 секунд решил задачу, которую мощнейший на планете суперкомпьютер Summit считал бы 10 000 лет. Эту новость мир встретил шумом: где-то торжествующим, а где-то недоверчивым. IQ.HSE рассказывает о «квантовой гонке» и вместе с профессором Вышки Андреем Васенко разбирает достижение Мартиниса и его значение для науки, технологий и нас с вами.
Легкое опоздание превосходства
В 2017 году Джон Мартинис заявил, что его группе нужно буквально несколько месяцев, чтобы добиться для Google квантового превосходства. 2017-й закончился ничем, тихо минул 2018-й, — обещанное мы получили лишь сейчас, в полном соответствии с народной мудростью, на третий год ожидания.
Отчет Мартиниса об испытаниях Sycamore по своей сути ближе к первому испытательному полету братьев Райт над полями Китти Хоук, чем к «маленькому шагу для человека» Армстронга. Результат есть, но пространство для скептического «зачем?», равно как и простого «ну и что?», остается. Не говоря уже о ироническом «вот когда… тогда и поговорим».
Так вот, настало время поговорить.
Что сделал Мартинис
Машина Джона Мартиниса — это алюминиевый процессор из 54 кубитов на базе джозефсоновских контактов, т.е. контактов двух сверхпроводников через тонкий слой диэлектрика. Вся эта система охлаждается жидким гелием практически до абсолютного нуля.
«Мартинис так об этом говорит, — рассказывает Васенко, — что алюминий это кремний современных квантовых компьютеров, а джозефсоновский контакт — это транзистор».
Ученые заставляли свой квантовый процессор генерировать псевдослучайные числа.
Самый простой способ получить случайное число в пределах от 0 до 1 — это бросить монетку. Но оно не будет истинно случайным, потому что ограничено интервалом между 0 и 1. Бросок кубика даст вам чуть более случайное число, чем монетка, но ограниченность его не особенно превосходит монетку, даже если ваш кубик двадцатигранный. Псевдослучайные числа активно используются в современном мире — все в той же криптографии, например. Их получают программно, а «псевдо-» они потому, что делается это согласно определенному (а не случайному) алгоритму.
В ходе эксперимента на классическом суперкомпьютере генерировалась случайная цепь — порядок наблюдений за кубитами. Затем Sycomore воспроизводил эту цепь и делал несколько тысяч измерений состояний кубитов в ней. Каждое такое измерение превращалось в двоичное число вида 001101…. А затем над ними производилась логическая операция — и итоговое значение либо прогоняли через еще несколько циклов, либо отправляли обратно, кремниевому «коллеге». Полученный массив чисел суперкомпьютер анализировал, чтобы определить, действительно ли они похожи на числа, полученные в результате подобного преобразования случайных чисел.
У «гейта» — операции, которая производилась над полученными числами, — есть ошибка, которая ученым известна. Васенко объясняет, что в этом квантовом компьютере нет системы исправления ошибок: и то по тому, как росла эта ошибка с каждым циклом — повторным прогоном результата через гейт — можно было понять, корректно ли работает квантовый компьютер, т.е. ожидаемо ли росла эта ошибка.
Важной деталью тут стало то, что ошибка не менялась, когда количество кубитов в цепи увеличивали. На нее влияло лишь число циклов — и, следовательно, квантовый компьютер Мартиниса действительно успешно устанавливал связь между кубитами, не нарушая их суперпозиции.
Квантовый компьютер успешно прошел тест на «короткой дистанции», с небольшим числом кубитов и циклов. Чтобы проверить полную 53-кубитную цепь (один кубит в ходе эксперимента «погиб» и не использовался), классическому вычислителю — самому мощному суперкомпьютеру на планете, Summit из Ок-риджской национальной лаборатории, — потребовалось бы, по оценкам группы Мартиниса, 10 000 лет.
Числа на полной мощности Sycamore, впрочем, все равно сгенерировали. Ученые сохранили их на будущее, чтобы проверить, если однажды неквантовые компьютеры «дорастут» до необходимых мощностей. В этом предложении, однако, слово «если» под акцентом:
«Суперкомпьютер требует настолько много энергии, что должен сопровождаться атомной электростанцией, которая его содержит, — говорит Васенко. — А сам по себе это футбольное поле по размеру».
Ученый из Вышки не преувеличивает: рассуждая о будущем суперкомпьютерных вычислений, эксперты уже сейчас говорят о необходимости питать их от выделенных электростанций. Все тот же Summit потребляет 13 мегаватт энергии — как небольшой городок.
«Но энергия, которая тратится на поддержание низких температур [квантового компьютера] на порядок меньше, чем тратится на охлаждение обычного кремниевого суперкомпьютера. Обычный суперкомпьютер просто проигрывает [квантовому] по энергии, — продолжает Васенко. — Даже если залить все это жидким гелием и охлаждать целое [футбольное] поле, как решили в Китае».
Долгая дорога к превосходству
«Судя по всему, и я в этом нисколько не сомневаюсь, сверхпроводимость, которая [уже] получила кучу Нобелевских премий, может теперь получить еще, — резюмирует Васенко. — За создание сверхпроводящего кубита и создание квантового процессора. На вторую может претендовать как раз Джон Мартинис. Первенство в квантовом процессоре он подтвердил».
Калифорнийский физик в 2014 году создал квантовый компьютер на пяти сверхпроводящих кубитах, в 2015 на девяти и все эти годы продолжал работать, не разгибая спины. Результаты этой работы видны в публикации невооруженным взглядом, считает Васенко.
Не меньшая заслуга принадлежит и создателям первого сверхпроводящего кубита: Ясунобу Накамуре, Юрию Пашкину и Чжоу-Шен Цаю. Они же в 2003 году показали, что такие кубиты можно связывать в цепи.
«Эта команда тоже может претендовать Нобелевскую премию, — говорит Васенко. — Она положила основу всей этой истории, которая закончилась сейчас статьей Мартиниса».
Не только случайные числа
О квантовых вычислителях физики задумались, когда уже вовсю считали на обычных компьютерах — в 80-е годы прошлого века. Тут обычно вспоминают Ричарда Фейнмана. В одной из публичных лекций он указал на то, что машины, на которых мы «посчитаем природу», тоже должны быть квантовыми. Потому что «природа, черт возьми, [это] не классическая [физика], и если вы хотите смоделировать природу, вам нужно сделать эту модель квантово-механической».
Единица информации — это бит, а его физическая реализация в классических компьютерах может находиться в строго одном из двух состояний. Тумблер включен или выключен, лампочка горит или нет, транзистор в процессоре находится под напряжением или нет. Совершенствуя технологии, мы увеличивали их способность «прожевывать» все большее числа битов за такт вычислений.
За один такт вычислений классический процессор обрабатывает цепочку из нолей и единиц, которые на физическом уровне кодируют транзисторы. Транзистор в каждый момент времени либо «открыт», либо «закрыт», на уровне битов это 1 или 0. И эта цепочка находится только в одном состоянии, каждый ее ноль уже ноль, каждая ее единичка уже единичка.
Но в квантовом мире все иначе. Кубит — квантовый бит — находится в суперпозиции: состоянии между 0 и 1.
Соответственно, два кубита одновременно будут 00, и 11, и 10, и 01, то есть находиться сразу в 2 2 состояниях. В то время как два «классических» транзистора будут чем-то одним: или 00, или 11, или 10 или 01. Три кубита будут находиться уже в восьми состояниях (2 3 ), четыре — в 16 (2 4 ). А 53 кубита будут иметь сразу все значения, которые может принимать 53-битная двоичная строка, это 2 53 состояний — т.е. 9 007 199 254 740 992.
Впрочем, поскольку 53-кубитная строка не длиннее 53-битной строки, мы не ускорим наши компьютеры в десятки порядков, если просто сделаем наши транзисторы квантовыми. Когда мы проверяем состояние кубитов, они получают то или иное значение, и если мы хотим, например, сложить два числа, то квантовая машина справится тут точно так же, как и классическая. Или даже хуже: потому что системы из кубитов все еще крайне нежны и нестабильны.
«Революцией, — рассказывает Васенко, — стало создание квантовых алгоритмов [в 90-е годы], которые придумали теоретики: Дойч, Шор, Гровер. Алгоритм Шора вызвал большой ажиотаж, он имеет конкретное приложение к реальной жизни».
Теоретики показали, как с использованием кубитов можно решать осмысленные задачи эффективнее, чем это делают классические компьютеры. Алгоритм Шора позволяет раскладывать числа на множители, и его работоспособность показали на практике IBM в начале этого века. Они — барабанная дробь! — смогли на 7-кубитном компьютере разложить число 15 на 3 и 5. В уме эту задачу люди решают с той же самой скоростью (если не быстрее), но эксперимент был нужен для демонстрации возможности подобных вычислений.
В этом есть определенный повод для тревоги: многие современные системы шифрования строятся на том, что факторизация (разложение на множители) больших чисел требует огромного вычислительного времени от классических машин. Как только где-то появится квантовый компьютер достаточной мощности, современная криптографическая защита станет бесполезна: прощай, безопасный обмен сообщениями, банковские операции, интернет вещей. Достаточной эта мощность, впрочем, не станет еще долго — потребуются процессоры с тысячами кубитов, чтобы это стало возможным.
И вот, стоило в 90-е годы появиться алгоритмам, как все начали создавать кубиты.
«Я помню этот период, я был еще студентом, — говорит Васенко. — У каждого уважающего себя университета был кубит своей конструкции. Были кубиты на дефектах в кристаллах, на фотонах, на [значениях] спинов молекул, ловушках атомов в холодных магнитных полях».
Под конец этой эпохи, на сломе двух веков появился и сверхпроводящий кубит, теперь, судя по всему, окончательно закрепивший за собой статус будущего индустриального стандарта.
Царь настоящий
Результат Мартиниса вызвал шквал не только восторгов, но и подозрений.
Последние отчасти связаны с канадской компанией D-Wave и ее машинами — которые канадцы сначала называли квантовыми компьютерами. Их репутация в среде специалистов крайне неоднозначная.
Васенко признает, что D-Wave оказала существенное влияние на научное сообщество. Он, помнит, как “размазывали» и чуть ли не обвиняли в научном подлоге представителей компании, которые приезжали на научные конференции рассказывать о своем продукте. При этом чтобы разобраться с «настоящестью» машин D-Wave, ученым пришлось закатать рукава и разбираться в их работе самим, — потому что даже создатели машины не были уверены в том, как именно она работает.
Сегодня машины D-Wave компьютерами не считают. «Это как симулятор, как нейросеть, которая сама находит свое основное состояние, и потом можно его измерять и находить какие-то ее характеристики, — объясняет Васенко. — Считает она что-либо или ничего не считает, вам ни один человек стопроцентного ответа не даст».
Но машина Мартиниса, хотя и решает пока, подобно D-Wave, строго одну задачу, и никакую другую решить не может, содержательно отличается от нее примерно в той же степени, в которой калькулятор отличается от водопроводного счетчика.
«Это компьютер. [Его архитектура позволяет ему] решать любые задачи, а не какие-то конкретные симуляционные задачи, как D-Wave или другие квантовые симуляторы», — говорит Васенко.
Результат Мартиниса бьет и по позициям радикальных скептиков.
Один из них Михаил Дьяконов — крупный ученый, теоретик, специалист по физике конденсированного состояния и квантовой механике, живущий и работающий во Франции. В нашумевшей колонке для журнала IEEE Spectrum Дьяконов в 2018 году писал, что, несмотря на энтузиазм вокруг квантовых вычислителей и миллионы инвестиций, никакой компьютер за последние 20 лет так и не появился. И отмечал: для того, чтобы квантовый компьютер мог приступить к вычислению какой-либо проблемы, имеющей интерес, число кубитов в процессоре должно составить как минимум тысячу.
2 1000 — это большое число. Больше, чем гугол (10 100 ). Больше, чем число субатомных частиц в наблюдаемой Вселенной. Для того, чтобы избежать ошибок при обработке столь большого числа параметров, их необходимо контролировать, считает именитый физик, — а это невозможно.
Дьяконов считает, что для веры вычислениям квантового компьютера надо контролировать все параметры — то есть возможные состояния кубитов. Но результат Мартиниса, говорит Васенко, показывает, что достаточно контролировать только два: число кубитов в цепи и число логических гейтов, операций, производимых в ходе вычислений. Первая проблема уже решена: число ошибок из-за увеличения числа кубитов в цепи не увеличилось. А на решение проблемы роста ошибок при операциях Мартинис отвел следующие два года своей работы, сообщает собеседник IQ.HSE.
Есть у Мартиниса и другие критики. 21-го сентября в блоге компании IBM — главного конкурента Google в «квантовой гонке» — четверо аффилированных с компанией специалистов опубликовали критический текст по поводу достижения Google.
По их мнению, превосходство процессора Sycamore еще недостаточно превосходно для того, чтобы говорить об окончании квантовой гонки. В IBM считают, что задачу, которую решал квантовый компьютер Мартиниса, их Summit может решить за 2,5 дня, а не за 10 000 лет. Правда, прошло уже больше времени, а о том, что Summit смог, IBM так и не сообщили.
«Превосходство, нравится или не нравится, все равно достигнуто, — комментирует позицию IBM Васенко. — Потому что даже 2,5 дня все равно больше, чем 200 секунд».
Куда гнаться дальше
«Мы от ерунды перешли к решению задач — пока что экзотических, связанных с самой этой квантовой цепью кубитов. Понятно, что она хорошо решает сама себя. Теперь надо перейти к решению актуальных сторонних задач. Я думаю, что перспективы позитивны», — подводит итог работе Мартиниса Васенко.
Само по себе квантовое превосходство машины из Google действительно пока не дает ощутимых результатов для нас с вами. Корпорация отмечает, что будет искать практическое применение уже созданному Sycamore — в частности, для той же самой криптографии. Для действительно интересных науке или бизнесу задач эта машина пока не подходит.
Но задачи эти есть.
«Настоящая наука, где можно просто написать формулы, — это все уже сделано, — говорит Васенко. — Когда Лев Давидович Ландау формулы писал, до него уже основные вещи были написаны Гейзенбергом, Шредингером, Паули, Дираком. Ландау тоже сильно продвинул науку, но сейчас [работать] на кончике пера — ну, нет уже такого. Наука перешла к решению сложных численных задач, и в физике они наиболее актуальны».
Поэтому, подчеркивает собеседник IQ.HSE, в современной науке фраза «за любым крупным человеком стоит крупный компьютер» чем дальше, тем правдивее.
«Главная задача, которая перед нами стоит, это моделирование больших молекул, новые материалы, — объясняет он. — Все эти вещи — передний фронт современной науки. Они моделируются на суперкомпьютерах, фактически, упрощенными уравнениями Шредингера. Задаются координаты всех атомов и дальше считается. Обычный ноутбук не справляется с такими расчетами. Рассчитывается зонная структура веществ или какие-то другие характеристики. Ну, например задача фолдинга белков — почему белок складывается так, а не иначе? К ней мы даже не подступились. Она слишком сложная».
Поэтому ни для явно раздосадованных соперников Мартиниса из IBM, ни для самого Мартиниса, ни для остальных участников «квантовой гонки» само по себе достижение квантового превосходства, в общем-то, гонки не заканчивает. 23 октября 2019 года прозвучал лишь стартовый выстрел. Опять.
