Квантовое превосходство: когда ждать нашествия квантовых вычислений
О радужных перспективах квантовых вычислений говорят уже не один десяток лет — этим принципиально иным с технической точки зрения компьютерам прочат судьбу «следующей большой технологии», которая ускорит, улучшит и выведет на принципиально новый уровень многие сферы человеческой жизни. Долгое время все подобные утверждения неизменно сопровождались оговорками: «когда появятся коммерческие квантовые компьютеры» и «когда удастся продемонстрировать квантовое превосходство». Недавно банк CITI опубликовал обширный отчёт о состоянии рынка квантовых вычислений. Cудя по его содержанию, оговорки вот-вот можно будет отбросить, а квантовые компьютеры станут технологией, которая определит технологический облик 2020-х годов. Глядя на отчет CITI, разбираемся, как устроены современные квантовые компьютеры и какие сферы жизни они изменят.
Что особенного в квантовых компьютерах?
Квантовые компьютеры — это устройства, фундаментально отличающиеся от классических вычислительных машин. В основе обычных компьютеров лежат биты — минимальные единицы информации, которыми оперируют классические процессоры. Процессоры состоят из миллионов очень маленьких транзисторов. Каждый из них может быть либо включённым, либо выключенным. Когда транзистор включён, он подаёт сигнал, и в двоичной системе наличие сигнала соответствует единице, а его отсутствие (если транзистор выключен) — нулю. Единица или ноль — это биты информации. Оперируя нулями и единицами, классические компьютеры производят вычисления.
Репрезентация кубита (хорошее название для альбома)
Минимальная единица информации в квантовых компьютерах — это кубит, или квантовый бит. Его отличие от «классического» собрата заключается в том, что он может находиться не только в состоянии 1 или 0, но и в суперпозиции — то есть одновременно в двух состояниях. В суперпозиции кубит находится во время перехода из одного состояния в другое, до того момента, как это состояние будет измерено. Ближайшая аналогия — монетка, вращающаяся на столе. Пока она вращается, существует определённая вероятность, что в итоге выпадет орёл. И другая вероятность — что выпадет решка. На практике это выливается в неспособность квантового компьютера выдавать детерминированные результаты вычислений. Вместо этого он рассчитает вероятность возникновения того или иного варианта.
В очень упрощённом виде эту разницу в принципах вычислений можно увидеть на простом примере: 9 + 11 = 20. Классический компьютер будет выдавать ответ 20, сколько бы раз ему ни задали эту задачу. Квантовый компьютер в большинстве случаев также выдаст этот ответ, но время от времени будет воспроизводить и другие ответы: например, что сумма равна 18 или 22. Квантовый компьютер выдаёт распределение вероятностей, а классический — точный результат.
Другая особенность квантовых компьютеров — квантовая запутанность. В классических процессорах состояние одного бита не влияет на состояние другого. Принцип работы кубитов, напротив, предполагает, что состояние одного из них может влиять на состояние другого. Это позволяет квантовым компьютерам не выполнять набор вычислений одно за другим, а считать всё сразу одновременно.
Итого: вероятностный характер результатов вычислений и способность выполнять множество вычислений одновременно — то, что разительно отличает квантовые компьютеры от классических.
Эти же особенности не позволяют квантовым компьютерам полностью заменить классических собратьев. Однако они открывают перспективу для взрывного роста вычислительных возможностей в отдельных сферах деятельности человека.
Преодоление закона Мура
Долгое время сфера компьютерных вычислений развивалась по так называемому закону Мура. Согласно ему, раз в 18–24 месяца средняя производительность доступных человечеству компьютеров удваивается за счёт кратного увеличения количества транзисторов на процессорах нового поколения. Однако в последние годы закон перестаёт работать, а рост вычислительных мощностей замедляется: производители процессоров упираются в ограничения квантового мира — нельзя сделать транзистор меньше хотя бы пары атомов кремния.
Разница между экспоненциальным и двойным экспоненциальным ростом
Инженеры ищут и наверняка найдут способ расположить ещё больше транзисторов на одной и той же площади, но о двукратном увеличении производительности «по Муру» мечтать не приходится. Между тем во многих сферах возникает всё больше задач, требующих масштабных вычислительных мощностей. Решать такие задачи с помощью классических компьютеров и дорого, и долго. И вот тут на помощь приходят квантовые компьютеры. Считается, что существует ряд задач, с которыми квантовые компьютеры справятся лучше, чем классические. К ним относятся минимум три области вычислений.
Оптимизация. Квантовые компьютеры обладают лучшей способностью находить наиболее эффективный ответ на проблему со множеством потенциальных решений.
Машинное обучение. Существующие нейронные сети потребляют огромное количество «классических» вычислительных мощностей. Однако нейронные сети — это тоже своего рода квантовые системы, и квантовые компьютеры, вероятно, лучше подходят для нейросетевых вычислений. Особенно в сфере обработки естественного языка (Natural Language Processing) и создания искусственных нейросетей.
Симуляция. Ожидается, что квантовые компьютеры покажут экспоненциальное ускорение работы по сравнению с классическими компьютерами, когда речь зайдёт о моделировании молекул и других квантовых систем.
В отличие от закона Мура, который описывает экспоненциальный рост вычислительных мощностей, квантовые вычисления демонстрируют уже двойной экспоненциальный рост. В квантовых компьютерах каждый новый добавленный в систему кубит удваивает количество состояний, в которых компьютер может находиться в одно и то же время. Другими словами, чтобы квантовым вычислениям показывать такой же прогресс, какой показывали классические в рамках закона Мура (удвоение мощностей каждые пару лет), им нужно добавлять по одному кубиту к компьютеру раз в два года. Однако на практике прогресс идёт ещё быстрее.
По данным журнала Scientific American, в декабре 2018 года исследователям из Google понадобился обычный ноутбук, чтобы воспроизвести вычисления, сделанные самым лучшим квантовым компьютером компании. В январе 2019 года квантовый компьютер обновили, и для того, чтобы воспроизвести вычисления на классическом компьютере, уже потребовался очень мощный ноутбук. В феврале, после очередного апгрейда, для тех же целей понадобилась сложная система серверов.
При этом из-за мимолётности явлений, которыми оперируют квантовые компьютеры, они очень сложны в устройстве и требовательны к условиям работы. Например, многим из них требуются сверхнизкие температуры и особые технологии защиты от «шума», возникающего в процессе вычислений. Именно поэтому в обозримом будущем (а может, и никогда) им не стать заменой классическим компьютерам. Вместо этого квантовые компьютеры будут преимущественно доступны в «облачном» режиме и расширят вычислительные возможности классических систем. Похожая аналогия из истории развития компьютерной техники — это видеокарты. В определённый момент задачи по обработке графической информации сняли с центрального процессора и перенесли на отдельный чип. Так будет и с квантовыми вычислениями: отдельные задачи перестанут вычислять на классических процессорах и передадут их квантовым компьютерам.
Влияние на индустрии
Из-за «выборочной» применимости квантовых компьютеров вычислительная революция произойдёт не сразу во всех индустриях, а поначалу в избранных, но весьма ярко. Давайте посмотрим, где новый тип компьютеров придётся ко двору в первую очередь.
Материаловедение и поиск лекарств
Современные классические компьютеры с трудом справляются с задачей моделирования даже молекулы умеренного размера (с точностью, необходимой для того, чтобы знать, как её воспроизвести). Моделирование крупномолекулярных композитов им и вовсе не по зубам. Кстати, о композитах: зубы лимпетов (разновидности морских моллюсков) могут быть в 13 раз прочнее стали (они состоят из гётита), но «производятся» при обычной температуре тела своего хозяина.
Зубастый лимпет
При этом для создания стали нужны сложные высокотемпературные производственные процессы. Квантовые компьютеры могут помочь выяснить, каким образом в природе появляются этот и прочие сложные композиты и произвести настоящую революцию в сфере разработки новых материалов.
Сходным образом они могут помочь и в поиске новых лекарств. Ныне дела в этой сфере обстоят непросто: даже с использованием компьютерного моделирования на разработку новых лекарств уходят годы исследований и огромное количество денег. Много времени занимает моделирование возможных молекулярных структур лекарств и виртуальное тестирование их взаимодействия с болезнью. Квантовые компьютеры потенциально способны ускорить процесс поиска правильной комбинации молекул, а кроме того предсказать их взаимодействие не только с клетками патогена, но и с другими «биологическими целями», и дать тем самым более детальное представление о токсичности лекарства-кандидата, его фармакокинетике и других особенностях.
Цифровые двойники и цепочки поставок
Цифровые двойники — это практика создания и тестирования виртуальных версий различных проектируемых систем (деталей для транспорта, сложных производственных механизмов и т. д.) перед их непосредственным воплощением в физическом мире. Хотя использование цифровых двойников уже зарекомендовало себя как эффективный инструмент для тестирования компонентов и производственных процессов, квантовые цифровые двойники обеспечат существенный прирост в детализации виртуальных тестов и скорости поиска оптимальных вариантов. Проектировать и производить сложные механизмы станет дешевле и легче.
Пример анализа взаимосвязей цепочек поставок
Цепочки поставок во многом напоминают квантовую систему. В ней задействованы миллионы компонентов с различными свойствами, которые меняются с течением времени в зависимости от условий. Компоненты (поставщики, клиенты, транспорт, курьеры и так далее) влияют друг на друга и часто — непредсказуемым с виду образом. Но он непредсказуем лишь потому, что закономерности в этой хаотичной и постоянно меняющейся системе выявить сложно, а квантовый компьютер, способный одновременно просчитывать тысячи вариантов одного и того же уравнения, напротив, может без особого труда справиться с такой задачей и помочь оптимизировать то, что сейчас будто бы оптимизировать невозможно.
Финансы
Многие виды деятельности в сфере финансовых услуг, от ценообразования ценных бумаг до оптимизации портфелей, требуют способности прогнозировать не один, а целый перечень рыночных сценариев и их исходов. Для этого банки полагаются на алгоритмы и модели для расчета статистических вероятностей. Однако современная финансовая сфера перегружена данными и требует все более мощных компьютеров для точного вычисления. Поэтому возможности квантовых вычислений и их потенциальное превосходство над классическими компьютерами в плане производительности могут существенно усовершенствовать многие финансовые инструменты и практики. Квантовые компьютеры сумеют тщательнее проанализировать поведение клиентов и, соответственно, сделать им более точные персональные предложения, а кроме того, помогут лучше анализировать финансовые риски.
Экология
Помимо перечисленных, квантовые вычисления способны опосредованно улучшить и многие другие сферы человеческой деятельности. Их способность симулировать квантовые состояния молекул могут привести к разработке принципиально новых технологий в области экологии. Например, более энергоёмких батарей, менее дорогостоящих катализаторов для получения водорода и более эффективных катализаторов для улавливания углекислого газа из атмосферы. В совокупности эти и другие разработки приведут к замедлению глобального потепления. По некоторым оценкам, приводящимся в отчёте CITI, к 2035 году квантовые вычисления помогут климату планеты избавиться примерно от 7 гигатонн углекислого газа.
Кибербезопасность, криптовалюты и Web3
Кибербезопасность — это сфера, в которую квантовые вычисления приносят скорее риски, чем новые возможности. Природа этой технологии такова, что с её помощью можно будет сравнительно быстро расшифровать информацию, на вычисление которой у классических компьютеров ушли бы сотни и тысячи лет. Ныне ещё не существует квантовых компьютеров, достаточно мощных и безошибочных, чтобы выполнять подобные операции, однако, по мнению как минимум 50% опрошенных авторами отчёта экспертов, квантовый компьютер, способный за сутки взломать RSA 2048-bit (один из самых надёжных алгоритмов шифрования), появится в течение следующих двадцати лет.
Алгоритмы шифрования, устойчивые к квантовым атакам, существуют уже сейчас, однако большинство конфиденциальной информации зашифровано с помощью обычных алгоритмов. И как только у одной из мировых разведок или у другого актора с намерением получить доступ к конфиденциальным данным появится достаточно мощный квантовый компьютер, его можно будет использовать для расшифровки той информации, что раньше считалась невзламываемой.
Проблема с квантовым шифрованием отчасти напоминает проблему »2000», или проблему Y2К-совместимости. В конце девяностых выяснилось, что разработчики ПО в двадцатом веке часто использовали для обозначения года в дате два знака, а не четыре. Это делалось для экономии памяти. При наступлении 1 января 2000 года при двузначном представлении года после 99-го наступал 00 год. Многие старые программы интерпретировали это как 1900 год или нулевой год. Ошибка могла привести к серьёзным сбоям в работе приложений в финансовой сфере или, например, на объектах критической инфраструктуры. Чтобы избежать негативного сценария, организациям по всему миру пришлось обновить миллионы компьютеров.
Так и с квантовыми компьютерами: чтобы однажды третьи лица не смогли получить доступ к зашифрованным с помощью классических алгоритмов данным, их нужно зашифровать заново, но уже с помощью постквантовых алгоритмов.
Квантовые компьютеры повлияют не только на кибербезопасность, но и на любую другую сферу, где алгоритмы шифрования играют ключевую роль. Криптовалюты и зарождающаяся концепция Web3, предполагающая создание децентрализованных финансовых сервисов, активов, приложений и прочего, в группе риска. По оценкам, сделанным в 2021 году, успешная «квантовая» атака может обойтись рынку криптовалют в 99,2% капитализации, или — на момент анализа — в 1.9 трлн долларов. Ожидается ещё порядка 1,5 трлн непрямых убытков, но это консервативные оценки, так как вся инфраструктура Web3 строится на базе блокчейна или похожих технологий распределенного реестра. А они в свою очередь опираются на классические криптографические стандарты. Другими словами, чтобы распределённый реестр и всё, что было создано на его основе, пережили пришествие квантовых вычислений, технологии нужно обновлять с оглядкой на постквантовое шифрование. Хорошие новости в том, что время на внедрение необходимых изменений у рынка ещё есть.
Рынок квантовых компьютеров на пороге
Самый крупным из известных квантовых компьютеров ныне располагает компания IBM. Её машина состоит из 433 кубитов. Следом идёт компания Pascal (324 кубита), QuEra (256 кубитов), Xanadu (218 кубитов) и ряд других компаний с компьютерами мощностью менее 100 кубитов. А всего количество компьютеров и компаний, занятых их производством, пока не превышает нескольких десятков. У самой технологии тоже есть ещё множество недостатков: «квантовый» шум влияет на точность результатов, а время когерентности (период времени, в течение которого компьютер способен удерживать информацию внутри кубита) — на стабильность работы таких машин. От компьютера к компьютеру эти параметры разнятся, и, соответственно, разнятся результаты, которые выдают нынешние квантовые машины.
Даже сами квантовые компьютеры бывают разных видов: сверхпроводящие, ионные, спиновые, на «холодных атомах», фотонные. Пока неясно, какой из подходов окажется наиболее перспективным.
Кроме того, квантовым компьютерам ещё предстоит продемонстрировать реальное квантовое превосходство — то есть решить сложную практическую проблему, доказав тем самым собственную практическую ценность в сравнении с классическими компьютерами. То есть сделать то же самое, что и классический компьютер, но значительно быстрее и/или дешевле. Пока что таких примеров нет, за исключением исследования компании IBM, которая в июне продемонстрировала, как квантовый компьютер рассчитывает упрощённую (и нереалистичную) модель гипотетического материала.
Рынок пока что находится в зачаточном состоянии. И всё же он есть. По разным оценкам, его объем в 2022 году составлял от 300 млн до 1 млрд долларов. К 2027 году, по ожиданиям аналитиков, он должен вырасти до 10 млрд долларов. Другими словами, эра квантовых вычислений еще не наступила, но квантовые компьютеры перестали быть теорией и научными исследованиями. Они превратились в явление, которое начнет существенно влиять на нашу реальность уже в ближайшие годы.
