Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Революция начинается.

В 2019 и 2020 гг. в мире науки произошли две сенсации. Две группы объявили о достижении ими квантового превосходства – то есть той исторической точки, в которой принципиально новый тип компьютера, известный как квантовый компьютер, может убедительно превзойти по производительности обычный цифровой суперкомпьютер в решении определенных задач. Это возвестило о начале переворота, способного изменить весь ландшафт мира информационных технологий и серьезно повлиять на нашу повседневную жизнь во всех ее проявлениях.

Сначала компания Google сообщила, что ее квантовый компьютер Sycamore способен за 200 секунд справиться с математической задачей, на решение которой самому быстрому суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет. Судя по статье в журнале MIT Technology Review, Google назвала это крупным прорывом. Она сравнила это событие с запуском первого спутника или первым полетом братьев Райт. Это был «порог новой эпохи машин, по сравнению с которыми самый мощный сегодняшний компьютер будет выглядеть как обыкновенные счеты»{1}.

Затем Институт квантовых инноваций Китайской академии наук пошел еще дальше. Тамошние ученые заявили, что их квантовый компьютер в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Вице-президент IBM Боб Сутор, комментируя стремительный взлет квантовых компьютеров, заявляет невозмутимо: «Думаю, это станет важнейшей вычислительной технологией текущего столетия»{2}.

Квантовый компьютер называют «предельным», или «абсолютным», компьютером и считают судьбоносным технологическим скачком, несущим кардинальные изменения всему миру. Вместо того чтобы выполнять вычисления на крохотных транзисторах, он проводит их на мельчайших объектах – на самих атомах – и потому способен легко превзойти по мощности наш лучший суперкомпьютер. Квантовые компьютеры могут стать проводниками в совершенно новую эпоху для экономики, общества и нашего образа жизни.

Но квантовый компьютер – нечто большее, чем просто очередная более мощная вычислительная машина. Это компьютер нового типа, способный справляться с задачами, которые цифровые компьютеры не могут решить в принципе, даже за бесконечное время. К примеру, цифровые компьютеры не в состоянии точно рассчитать, как атомы взаимодействуют между собой в процессе важнейших химических реакций, особенно тех, что делают возможной жизнь. Цифровые компьютеры могут считать только на цифровой ленте, состоящей из последовательности нулей и единиц, которые слишком примитивны, чтобы описать тонкие волны электронов, танцующих глубоко внутри молекулы. К примеру, при скучном расчете траектории движения мыши в лабиринте цифровому компьютеру приходится кропотливо анализировать все возможные маршруты один за другим. Квантовый же компьютер одновременно – и в один миг – анализирует все возможные траектории.

Это, в свою очередь, сильно подогрело и без того напряженное соперничество между конкурирующими компьютерными гигантами, каждый из которых стремится как можно скорее создать самый мощный в мире квантовый компьютер. В 2021 г. IBM представила собственный квантовый компьютер под названием Eagle («Орел»), который и занял лидирующую позицию, поскольку обладает большей вычислительной мощностью, чем все предыдущие модели.

Но подобные рекорды похожи на корочку пирога – для того они и создаются, чтобы быть разрушенными.

Если учесть глубокие последствия, которые повлечет за собой эта революция, неудивительно, что многие ведущие мировые корпорации вкладывают в эту новую технологию огромные суммы. Компании Google, Microsoft, Intel, IBM, Rigetti и Honeywell создают прототипы квантовых компьютеров. Лидеры Кремниевой долины понимают, что должны идти в ногу с революционными процессами – или они останутся на обочине.

Компании IBM, Honeywell и Rigetti Computing разместили свои квантовые компьютеры первого поколения в интернете, чтобы раздразнить аппетиты любопытной публики и дать возможность людям впервые познакомиться напрямую с квантовыми вычислениями. Любой человек может испытать квантовую революцию на себе, соединившись с квантовым компьютером через интернет. Так, проект «IBM Q Experience», запущенный в 2016 г., бесплатно предоставляет публике через интернет 15 квантовых компьютеров. Среди их пользователей – компании Samsung и JPMorgan Chase. К настоящему моменту этими компьютерами каждый месяц пользуются уже 2000 человек, от школьников до профессоров.

Весьма активный интерес к этой технологии проявляют и биржи. IonQ первой из крупных компаний, связанных с квантовыми вычислениями, стала публичным акционерным обществом и получила при первичном размещении акций 600 млн долларов. Соперничество на этом рынке настолько жесткое, что новый стартап PsiQuantum, не имеющий ни коммерческого прототипа на рынке, ни каких бы то ни было реальных результатов прошлой деятельности, внезапно взлетел на бирже до 3,1 млрд долларов с возможностью получить 665 млн долларов кредита чуть ли не за один день. Бизнес-аналитики писали, что им редко приходилось видеть подобное – чтобы новая компания сумела так удачно воспользоваться волной лихорадочных спекуляций и сенсационных заголовков и взлететь так высоко.

По оценкам консалтинговой и аудиторской компании Deloitte, объем рынка квантовых компьютеров в 2020-е гг. должен достичь сотен миллионов долларов, а в 2030-е – десятков миллиардов долларов. Никто не знает, когда квантовые компьютеры выйдут на торговые площадки и изменят экономический ландшафт, но прогнозы постоянно пересматриваются в соответствии с беспрецедентными темпами научного прогресса в этой области. Говоря о стремительном развитии квантовых компьютеров, генеральный директор компании Zapata Computing Кристофер Савой и отметил: «Это уже не вопрос о том, будет или нет, а о том, когда будет»{3}.

Даже Конгресс США проявил острый интерес и желание придать дополнительный импульс развитию новой квантовой технологии. Понимая, что другие державы уже начали щедро финансировать исследования в области квантовых компьютеров, Конгресс США в декабре 2018 г. принял закон о Национальной квантовой инициативе, призванный обеспечить стартовый капитал для запуска и стимулирования новых исследований. В нем предусматривается образование от двух до пяти новых национальных исследовательских центров по квантовой информатике с финансированием 80 млн долларов в год.

В 2021 г. правительство США также объявило об инвестировании 625 млн долларов в квантовые технологии под контролем Министерства энергетики. Кроме того, еще 340 млн долларов в фонд проекта внесли гигантские корпорации, такие как Microsoft, IBM и Lockheed Martin.

Китай и США не единственные страны, использующие правительственные фонды, чтобы ускорить внедрение этой технологии. Правительство Великобритании в настоящее время создает Национальный центр квантовых вычислений, который будет служить хабом для исследований в этой области. Центр должен быть построен в лаборатории Харвелл Совета по науке и технологиям в Оксфордшире. При поддержке правительства Великобритании к концу 2019 г. в стране было основано 30 стартапов, работающих в области квантовых вычислений.

Промышленные аналитики признают, что игра идет не меньше чем на триллион долларов. В этой отрасли чрезвычайно высокая конкуренция и нет никаких гарантий. Несмотря на внушительные технические достижения Google и других компаний в последние годы, до рабочего квантового компьютера, способного решать реальные задачи, еще очень далеко. Нам предстоит проделать массу тяжелой работы. Некоторые критики даже утверждают, что все это может оказаться погоней за миражами. Но компьютерные компании понимают: если они не успеют или не захотят шагнуть в эту дверь, она захлопнется у них перед носом.

Иван Остоджич, один из партнеров консалтинговой фирмы McKinsey, утверждает: «Компаниям в тех отраслях, где квантовые технологии потенциально смогут изменить ситуацию в максимальной степени, следует начинать заниматься ими прямо сейчас»{4}. Такие области человеческой деятельности, как химия, медицина, нефть и газ, перевозки, логистика, банковское дело, фармацевтика и кибербезопасность, нуждаются в масштабных переменах. Остоджич добавляет: «В принципе, квант окажет значимое влияние на все информационные технологии, поскольку ускорит решение широкого спектра задач. Компаниям необходимо обзавестись квантовыми возможностями».

Верн Браунелл, бывший генеральный директор канадской компании квантовых вычислений D-Wave Systems, замечает: «Мы уверены, что вот-вот сможем предоставить мощности, которые нельзя обеспечить с помощью классических вычислений».

Многие ученые считают, что мы в настоящий момент входим в совершенно новую эпоху, и потрясения, связанные с переходом, будут сравнимы с теми, что произошли при появлении транзисторов и микросхем. Компании, не имеющие непосредственных связей с производством компьютеров, такие как автомобильный гигант Daimler (владелец марки Mercedes-Benz), уже вкладывают деньги в эти технологии, полагая, что квантовые компьютеры смогут проложить им путь к новым разработкам в их собственной отрасли. Один из руководителей их конкурента BMW, Джулиус Марсеа, написал: «Мы с большим интересом исследуем преобразующий потенциал квантовых вычислений в применении к автомобильной промышленности и твердо рассчитываем расширить пределы наших инженерных возможностей»{5}. Другие крупные компании, такие как Volkswagen и Airbus, организовали у себя собственные подразделения квантовых вычислений, чтобы изучить, какие технологические сдвиги могут вызвать эти вычисления в их отраслях.

Фармацевтические компании также внимательно следят за всеми нововведениями в этой области, понимая, что квантовые компьютеры, возможно, будут способны моделировать сложные химические и биологические процессы, выходящие далеко за рамки возможностей цифровых компьютеров. Не исключено, что громадные мощности, задействованные в испытаниях миллионов лекарств, когда-нибудь сменятся «виртуальными лабораториями», которые будут испытывать лекарства в киберпространстве. Были опасения, что все это однажды заменит химиков и сделает их ненужными. Но Дерек Лоу, ведущий блог о разработке новых лекарств, замечает: «Речь не о том, что машины заменят химиков. Речь о том, что химики, которые используют машины, заменят тех, кто этого не делает»{6}.

Даже Большой адронный коллайдер возле Женевы в Швейцарии, крупнейшая научная установка в мире, сталкивающая между собой протоны с энергией 14 трлн электронвольт, чтобы воссоздать условия, существовавшие в ранней Вселенной, теперь использует квантовые компьютеры для просеивания громадных массивов данных. За одну секунду они способны проанализировать до триллиона байт информации, сгенерированной примерно миллиардом столкновений частиц. Возможно, когда-нибудь квантовые компьютеры сумеют разгадать тайну рождения Вселенной.

Квантовое превосходство

Еще в 2012 г., когда физик Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института впервые ввел в обращение термин «квантовое превосходство», многие ученые покачали головами. Пройдут десятилетия, если не столетия, подумали они, прежде чем квантовые компьютеры смогут обогнать по производительности цифровой компьютер. В конце концов, вычисления на отдельных атомах, а не на пластинах кремниевых микросхем считались чертовски сложными. Малейшая вибрация или шум может нарушить изящный танец атомов в квантовом компьютере. Но сегодня поразительные заявления о новых достижениях в квантовом превосходстве в клочья рвут мрачные предсказания скептиков. Теперь основное внимание смещается к вопросу о том, насколько быстро будет развиваться эта область.

Толчки, вызванные этими замечательными достижениями, прочувствовали также руководства государственных организаций и секретные разведывательные службы по всему миру. Документы, опубликованные анонимными разоблачителями, показали, что ЦРУ и Агентство национальной безопасности США внимательно отслеживают все происходящее в этой области. Дело в том, что мощность квантовых компьютеров настолько велика, что, в принципе, они способны взломать все известные кибершифры. Это означает, что секреты, тщательно охраняемые правительствами, – особая ценность, поскольку это самая чувствительная информация, – будут уязвимы перед такими кибератаками, как и самые строгие секреты корпораций и даже отдельных людей. Ситуация требует настолько особого внимания, что даже Национальный институт стандартов и технологий США (NIST), определяющий национальную политику и стандарты, недавно выпустил инструкцию, призванную помочь крупным корпорациям и агентствам спланировать неизбежный переход в новую эпоху. NIST уже объявил, что, по его прогнозам, к 2029 г. квантовые компьютеры смогут взломать 128-битное AES-шифрование – шифр, которым пользуются многие компании.

Али Эль-Каафарани, журналист Forbes, отмечает: «Это весьма пугающая перспектива для любой организации, которая хочет защитить какую бы то ни было чувствительную информацию»{7}.

Китайцы потратили 10 млрд долларов на свою Национальную лабораторию квантовой информатики, поскольку твердо настроены стать лидером в этой жизненно важной и стремительно развивающейся области. Государства тратят десятки миллиардов, чтобы усилить охрану своих шифров. Вооружившись квантовым компьютером, условный хакер мог бы, по идее, взломать любой цифровой компьютер на планете, таким образом внося хаос в целые отрасли и даже в вооруженные силы. Вся чувствительная информация может стать доступной любому, кто предложит за нее больше других. Финансовые рынки также могут быть ввергнуты в кризис, если квантовые компьютеры вломятся в святая святых Уолл-стрит. Кроме того, квантовые компьютеры могли бы разомкнуть блокчейн, создавая хаос и на рынке биткойна. По оценкам Deloitte, около 25 % биткойнов потенциально уязвимы для взлома при помощи квантового компьютера.

«Текущие проекты на базе блокчейна, скорее всего, внимательно и нервно следят за продвижением квантовых вычислений»{8}, – делается вывод в докладе CB Insights, ИТ-компании, занятой созданием ПО для обработки данных.

Так что на кону стоит ни много ни мало мировая экономика, неразрывно связанная с цифровыми технологиями. При помощи компьютеров банки Уолл-стрит отслеживают многомиллиардные долларовые транзакции. При помощи компьютеров инженеры проектируют небоскребы, мосты и ракеты. Художникам не обойтись без компьютеров при анимации голливудских блокбастеров. Фармацевтические компании пользуются компьютерами при разработке очередных чудо-лекарств. Дети прибегают к компьютерам, чтобы поиграть с друзьями в новейшие видеоигры. И все мы в решающей степени зависим от сотовых телефонов, когда получаем мгновенно через них новости от наших друзей, знакомых и родственников. Каждому приходилось испытывать приступ паники, когда не можешь найти свой сотовый. В общем, чрезвычайно трудно назвать хотя бы какую-то область человеческой деятельности, в которой компьютеры определяют буквально все. Мы настолько от них зависимы, что, если бы вдруг все компьютеры в мире внезапно прекратили работать, цивилизация погрузилась бы в хаос. Вот почему ученые следят за развитием квантовых компьютеров так внимательно.

Конец закона мура

Что движет всей этой суетой и спорами?

Резкий скачок квантовых технологий – признак того, что эра кремния потихоньку подходит к концу. На протяжении полувека взрывной рост мощности компьютеров описывался законом Мура, получившим свое название по имени основателя Intel Гордона Мура. Закон Мура гласит, что мощность компьютеров удваивается каждые полтора года. Этот обманчиво простой закон описывает замечательный экспоненциальный рост мощности компьютеров, не имевший прецедентов в истории человечества. Никакое другое изобретение не оказало подобного всеохватного влияния за такой короткий промежуток времени.

Компьютеры на протяжении своей истории прошли множество этапов развития, всякий раз многократно повышая свою мощность и вызывая серьезные социальные изменения. Если разобраться, то закон Мура можно распространить и на прошлое, вплоть до XIX в., до эпохи механических вычислителей. В то время инженеры для простых арифметических операций использовали вращающиеся цилиндры, штырьки, шестеренки, колесики. К началу прошлого века в этих вычислителях начали использовать электричество, заменяя шестеренки на реле и кабели. Во время Второй мировой войны компьютеры использовали целые батареи вакуумных электронных ламп, чтобы взламывать секретные правительственные шифры. В послевоенную эпоху произошел переход с радиоламп на транзисторы, которые можно было уменьшать до микроскопических размеров, что способствовало дальнейшему повышению скорости и мощности компьютеров.

В 1950-е гг. универсальные вычислительные машины были доступны лишь крупным корпорациям, правительственным агентствам вроде Пентагона и международным банкам. Они были мощными (так, ENIAC способен был за 30 секунд посчитать то, что потребовало бы от человека 20 часов работы). Но при этом они были дорогими, громоздкими и часто занимали целый этаж офисного здания. Появление микросхем произвело настоящую революцию в производстве компьютеров. За прошедшие десятилетия микросхемы настолько уменьшились в размерах, что средний чип размером с ноготь может теперь содержать в себе около миллиарда транзисторов. Сегодня сотовый телефон, на котором ребенок играет в видеоигры, оказывается мощнее целого зала неуклюжих «динозавров», которыми когда-то пользовался Пентагон. Компьютер у нас в кармане превосходит по мощности компьютеры, применявшиеся во время холодной войны, и мы воспринимаем этот факт как нечто само собой разумеющееся.

Все проходит. Каждый шаг к чему-то новому в процессе развития компьютеров приводил к тому, что прежние технологии устаревали. Так работает созидательное разрушение. Повышение мощности классических компьютеров по закону Мура уже замедляется, а со временем может и совсем остановиться. Дело в том, что микросхемы стали уже такими компактными, что толщина самого тонкого слоя транзисторов составляет около 20 атомов. Когда толщина слоя достигает примерно пяти атомов, положение электрона становится неопределенным; утечка таких электронов может вызвать короткое замыкание в чипе или выделить так много тепла, что чип расплавится. Иными словами, если мы будем использовать в микросхемах в первую очередь кремний, то закон Мура должен рано или поздно прекратить действовать, просто по законам физики. Вполне может быть, что мы в настоящий момент являемся свидетелями конца эпохи кремния. Следующим скачком, возможно, станет посткремниевая, или квантовая, эпоха.