Квантовое превосходство: всё о квантовых компьютерах22.08.2018 10:20

Стенд компании Intel на прошедшей в начале года конференции потребительской электроники CES в Лас-Вегасе, как обычно, был заполнен журналистами и техноблогерами. Новинки крупнейшего производителя микрочипов всегда потенциально интересны, хотя в последние годы эти обновления — чуть больше ядер, чуть меньше энергопотребление — все реже привлекают внимание публики. Однако на этот раз технологическому гиганту действительно было чем похвастаться: посетителям показали квантовый процессор Tangle Lake, способный — пусть теоретически и лишь в некоторых задачах — делать то, что пока было по силам лишь лучшим суперкомпьютерам.

Tangle Lake ни размерами, ни формой не слишком выделяется на фоне обычной продукции Intel. Но принципы, на которых он работает, далеки от тех, на которых построена традиционная электроника. Вместо миллиардов транзисторов на новой микросхеме имеется всего 49 элементов. И это не полупроводниковые переключатели тока, а кубиты («квантовые биты»), элементарные ячейки, способные работать с квантовой информацией. В данном случае они представляют собой крохотные сверхпроводящие антенны.

Это не единственный вариант получить кубиты для квантового компьютера, но в данном случае важнее их число. 49 не рекорд: еще до презентации Tangle Lake компания IBM рассказала о работе над квантовым компьютером на 50 кубит, а группа под руководством гарвардского физика Михаила Лукина сделала экспериментальный 51-кубитный вычислитель. Легко заметить, что все эти проекты построены вокруг цифры в полсотни кубит: именно на ней обычно устанавливают планку, после которой стоит ожидать наступления «квантового превосходства».

Преимущество неопределенности

Использовать для расчетов поведения квантовых систем не обычные компьютеры, а другие квантовые системы, которые могли бы играть роль упрощенной модели, предложил еще Ричард Фейнман в 1981 году. Справедливости ради стоит добавить, что идея, видимо, витала в воздухе: почти за год до того ее высказывал советский математик Юрий Манин. В самом деле, трудность, с которой сталкиваются обычные компьютеры при моделировании таких систем, заключается в самой их квантовой природе, в неустранимой неопределенности параметров взаимодействующих частиц.

Три типа квантовых компьютеров. 1. Устройство для квантового отжига
Наименее универсальная форма квантового компьютера. Его легче всего построить, однако он способен выполнять лишь очень ограниченный круг задач, связанных с оптимизацией. Многие эксперты сомневаются в том, что такое устройство может иметь какие-либо преимущества перед традиционным компьютером. Применение: задачи на оптимизацию Универсальность: ограниченная. Вычислительная мощность: не превышает традиционную

Допустим, нам нужно посчитать, как поведет себя атом, если мы направим на него фотон; для этого нам требуется выяснить поляризацию фотона. Единственный способ сделать это — провести измерения, а до этого поляризация останется неопределенной: физики говорят о суперпозиции, наложении возможных значений. Для расчетов все варианты должны быть рассмотрены по отдельности, и в нашем примере это займет вдвое больше времени, чем если бы нужные параметры поляризации были известны. Более того, стоит начать добавлять в систему другие компоненты (несколько атомов, несколько фотонов), и неопределенности придется перемножать, а сложность вычислений вырастет экспоненциально.

Идея квантового компьютера заключалась в том, чтобы обратить недостаток в достоинство: использовать для вычислений саму неопределенность, которая так затрудняет обычные расчеты. Представим, что вам нужно подобрать пароль, у которого неизвестны последние два бита. Тут возможны четыре комбинации: 00, 01, 10 и 11. В классическом случае каждый из них необходимо считать отдельно: подставить его в нужное место и проверить результат. Однако если носителем информации станет квантовый объект — например, два кубита с суперпозицией поляризации, — то все четыре комбинации можно будет проверить одновременно.

2. Аналоговый квантовый компьютер Позволит проводить симуляцию сложных квантовых взаимодействий, которые недоступны для моделирования на любых традиционных компьютерах. Считается, что аналоговый квантовый компьютер будет содержать от 50 до 100 кубитов. Применение: квантовая химия, разработка новых материалов, задачи на оптимизацию, семплирование, квантовая динамика. Универсальность: частичная. Вычислительная мощность: высокая

Если правильная комбинация возможных состояний кубитов существует, можно не сомневаться, что они примут и ее тоже. Главное — организовать взаимодействие между ними так, чтобы мы смогли прочитать и понять получившийся ответ. Мощь квантовых компьютеров заключается именно в экспоненциально растущем числе операций, которые можно сделать за один шаг. Система, состоящая из двух кубитов, позволяет одновременно рассмотреть четыре варианта развития событий, система из четырех — 16. После 50, как мы помним, наступает «квантовое превосходство», а на число комбинаций всех возможных состояний квантового компьютера из 300 кубитов уже не хватит атомов во Вселенной.

Чтобы взять эту планку, нам понадобятся физические носители кубитов. В этой роли могут выступать отдельные атомы, способные находиться в разных энергетических состояниях, или дефекты кристаллической структуры («вакансии»), несущие спин разного направления, или даже относительно крупные объекты — как те сверхпроводниковые антенны, на которых построен Tangle Lake. Какой именно вариант станет стандартом в будущем, пока сказать трудно. Так в свое время было с электрической лампой: физика понятна, но инженерных решений предложен целый букет. Только опыт применения покажет достоинства, недостатки и перспективы разных систем.

3. Универсальный квантовый компьютер Наиболее мощная и наиболее гибкая с точки зрения вычислительных задач версия квантового компьютера. Разработка такого устройства связана с большим количеством технических трудностей. По современным оценкам, в его составе должно иметься не менее 100 000 физических кубитов. Применение: безопасные вычисления, машинное обучение, криптография, квантовая химия, разработка новых материалов, задачи на оптимизацию, семплирование, квантовая динамика, поиск. Универсальность: полная, с ускорением относительно традиционных компьютеров. Вычислительная мощность: весьма высокая

Минимальный набор

Впрочем, для создания настоящего квантового компьютера понадобится не только комплект кубитов, но и каналы их взаимодействия. В обычном компьютере эту роль выполняют провода и электрические контакты, а в квантовом — эффект запутанности. Запутанные частицы имеют общие квантовые параметры: их можно разделить физически, но их поведение останется связанным, невзирая на расстояние. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему.

Кроме того, новому компьютеру необходимо записывать и считывать информацию. В принципе, это самое простое: для ввода-вывода можно использовать излучение, например лазерное или микроволновое, сфокусированное на отдельных кубитах, позволяющее «писать» и «читать» их состояние. Технически это довольно тонкая работа, которая требует дорогого оборудования, но делать это физики умеют уже давно. Куда труднее выполнить последнее требование: как можно надежнее изолировать кубиты от внешнего мира, чтобы удерживать их запутанность в течение времени, достаточного для вычислений и обмена данными.

О том, насколько трудно сохранить квантовую природу большой и сложной системы, может рассказать сам кот Шредингера. Замысел этого мысленного эксперимента широко известен: помещенное в коробку животное оказывается одновременно живо и мертво, поскольку его судьба зависит от неопределенного состояния некоей частицы. До открытия коробки (измерения) параметры частицы находятся в суперпозиции двух состояний, а вместе с ними в суперпозиции находится и кот. Обычно этот эксперимент приводят как пример парадоксальной природы квантового мира, но, если подумать, он говорит еще и о другом.

Одновременно живых и мертвых котов не бывает как раз потому, что кот — это макроскопический объект. Он состоит из многих частиц, которые все время норовят вступить во взаимодействие с внешней средой и «сколлапсировать», потеряв неопределенность и перейдя в одно из возможных состояний. Точно так же и с компьютером: чем больше кубитов, тем он может быть мощнее, но при этом все сильнее напоминает шредингеровского кота, которому трудно сохранять свое квантовое состояние. Именно поэтому кубиты обязательно помещают в вакуумные камеры, для них создают хитрые схемы охлаждения и разрабатывают сложные методы коррекции ошибок.

Точка перегиба

Теперь, когда примерно ясно, что вообще имеется в виду под квантовым вычислителем и какие у него могут быть преимущества, становится понятно, что квантовые технологии не заменят старый добрый кремний ни завтра, ни в отдаленном будущем. Однако это вовсе не значит, что все разговоры о «квантовом превосходстве» — очередная утка. Да, сегодня известно лишь несколько вычислительных задач, которые квантовые компьютеры способны ускорить. Зато это ускорение не в 10 и не в 100 раз, а намного больше — чем сложнее задача, тем заметнее.

Решение многих таких задач уже требуется на практике. Например, алгоритм Шора позволяет за секунды взламывать самые современные шифры, а алгоритм Лова Гровера принципиально снижает сложность поиска в больших объемах данных. Не следует забывать и про квантовые расчеты, о которых изначально говорили Фейнман и Манин. По статистике, они занимают сегодня до 30−40% вычислительных ресурсов всех суперкомпьютеров. И по-видимому, именно эта область станет первой, которая почувствует «квантовый толчок» от создания новых машин. А это будет означать новые материалы, новые лекарства, новое понимание сверхпроводимости.

Можно не сомневаться, что таких примеров будет все больше: спектр практических применений любого компьютера становится понятен только после появления подходящих для него алгоритмов, которые только предстоит разработать. Их создание — область настолько молодая, что, по словам одного исследователя, «можно написать на одной доске имена всех, кто ей занимается в мире». Специалистов катастрофически не хватает, особенно сейчас, когда в квантовую гонку включаются IT-гиганты, готовые переманивать сотрудников целыми лабораториями.

Наступление эры «квантового превосходства» нельзя сравнивать с выпуском первого персонального компьютера или мобильной революцией. Простые потребители не почувствуют никаких принципиальных изменений еще как минимум несколько лет. Но если говорить об индустрии, то она уже изменилась. Резкий интерес к постквантовой криптографии, создание такими гигантами, как IBM и Microsoft, платформ для разработки квантовых алгоритмов, миллиардные инвестиции — история квантовой революции уже пишется.

Таймлайн

До 1990: развитие квантовой механики, теоретические работы
1927	Вернер Гейзенберг формулирует принцип неопределенности.
1981	В лекции «Моделирование физики на компьютерах» Ричард Фейнман формулирует основы квантовых вычислений.
1985	Дэвид Дойч описывает систему универсального квантового компьютера для любых вычислений.
После 1990: практические попытки создания квантовых компьютеров. Начало активного финансирования исследований
1994	Питер Шор открывает квантовый алгоритм разложения целых чисел на множители, позволяющий взламывать современные криптосистемы.
1994	Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак реализуют первую экспериментальную схему квантового компьютера, получив логический вентиль C-NOT.
1997	Алексей Китаев создает надежный метод коррекции ошибок при квантовых вычислениях.
1998	Первые двухкубитные компьютеры созданы в Оксфордском университете и IBM.
2001	Квантовый компьютер IBM проводит успешное разложение числа 15 по алгоритму Шора.
2008	Компания D-Wave заявляет о создании 28-кубитного устройства.
2016	IBM запускает облачный сервис Quantum Experience для удаленного доступа к квантовому вычислителю.
2017	Не менее четырех независимых групп докладывают о создании вычислителей с примерно полусотней кубит.
2018	Группа Джона Мартиниса анонсирует Bristlecone — квантовый компьютер на 72 кубитах с системой коррекции ошибок.

©  Популярная Механика