Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Одна из самых интригующих и захватывающих тайн Древнего мира пришла к нам из глубин Эгейского моря. В 1901 г. ныряльщики смогли поднять со дна возле острова Антикитера странную и любопытную штуковину. Среди осколков керамики, монет, украшений и статуй, оказавшихся на дне вместе с потерпевшим крушение кораблем, ныряльщики обнаружили объект, который странным образом отличался от прочих. Поначалу он выглядел как бессмысленный кусок камня, покрытый коралловыми наростами.

Но когда наслоения были сняты, археологи начали понимать, что перед ними чрезвычайно редкое, единственное в своем роде сокровище. Оно представляло собой устройство замысловатой конструкции, наполненное шестеренками, колесиками и странными надписями.

По артефактам, найденным внутри корабля, удалось примерно датировать находку; ученые решили, что устройство было изготовлено где-то между 150 и 100 гг. до н. э. Некоторые историки считают, что его везли с Родоса в Рим, чтобы преподнести в дар Юлию Цезарю на триумфальном параде.

В 2008 г. ученые при помощи рентгеновской томографии и поверхностного сканирования с высоким разрешением смогли проникнуть внутрь этого загадочного объекта. Они были поражены: перед ними находилось древнее механическое устройство, невероятно совершенное для своего времени.

Рис. 1. Антикитерский механизм

Две тысячи лет назад греки создали Антикитерский механизм, первый в длинном эволюционном ряду компьютеров; здесь вы видите модель, созданную на базе оригинального устройства. Если Антикитерский механизм означает начало компьютерной технологии, то квантовый компьютер, возможно, представляет собой высшую стадию его эволюции.

Freeth, T., Higgon, D., Dacanalis, A., et al. A Model of the Cosmos in the Ancient Greek Antikythera Mechanism. Sci Rep 11, 5821 (2021)

Нигде в древних записях нет никаких упоминаний о настолько сложном механизме. Исследователи понимали, что эта великолепная машина могла представлять собой венец научного знания Древнего мира. Она была подобна сверхновой звезде, сияние которой дошло до ученых из минувших тысячелетий. Это был древнейший в мире компьютер – устройство, равных которому не появится еще 2000 лет.

Ученые изготовили механические копии этого замечательного устройства. Поворот ручки – и целая серия сложных колесиков и шпенечков приходит в движение впервые за тысячи лет. Механизм имел по крайней мере 37 бронзовых шестеренок. Один комплект шестеренок рассчитывал движение Солнца и Луны. Другой мог предсказывать наступление следующего затмения Солнца. Прибор был настолько чувствительным, что мог рассчитывать даже небольшие отклонения орбиты Луны. Надписи на устройстве представляют собой хронику движения Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера – планет, известных древним людям, но ученые полагают, что еще одна часть устройства, которая до нас не дошла, возможно, реально указывала положение планет в небе в конкретный момент.

С тех пор ученым удалось создать подробные модели внутреннего устройства прибора, которые дали историкам беспрецедентную возможность глубже познакомиться с объемом знаний и мышлением древних. Устройство ознаменовало собой рождение совершенно новой области науки, использующей механические устройства для моделирования Вселенной. Антикитерский механизм – древнейший аналоговый компьютер, устройство, способное проводить вычисления посредством непрерывного механического движения.

Итак, задачей первого в мире компьютера было моделирование движения небесных тел, воспроизведение загадок космоса в устройстве, которое можно было держать в руках. Вместо того чтобы просто смотреть в благоговейном восторге в ночное небо, древние ученые хотели подробно разобраться, как в нем все работает, а это дало бы им дополнительную возможность лучше понять движение небесных тел.

Квантовые компьютеры: идеальная модель

Археологи выяснили, что Антикитерский механизм представлял собой результат попыток наших предков смоделировать космос. Если разобраться, именно эта многовековая потребность моделировать окружающий мир – одна из движущих сил, стоящих за созданием квантового компьютера, а сам он представляет собой высшее достижение 2000 лет усилий, направленных на моделирование всего вокруг, от космоса до атома.

Моделирование – одна из наиболее глубоких потребностей человека. Дети играют в куклы – модели людей, чтобы понять человеческое поведение. Играя в полицейских и бандитов, в учителя и учеников или во врача и пациента, дети моделируют частично общество взрослых, чтобы разобраться в сложных отношениях между людьми.

Как ни печально, должно было пройти немало столетий, прежде чем ученые смогли построить достаточно сложные машины, способные моделировать наш мир так же хорошо, как это делал Антикитерский механизм.

Бэббидж и его разностная машина

С падением Римской империи научный прогресс во многих областях, включая моделирование Вселенной, практически замер.

Только в XIX в. интерес к этому начал постепенно возрождаться. К тому моменту возникло немало насущных практических вопросов, ответить на которые можно было только при помощи механических аналоговых компьютеров.

К примеру, мореходам необходимы были подробные карты и схемы, по которым можно было прокладывать курс кораблей. Им нужны были также устройства, при помощи которых эти карты можно было сделать максимально точными.

Требовались также все более сложные машины, которые помогали бы вести учет в торговле и коммерции, по мере того как люди накапливали все больше капитала. Бухгалтерам приходилось вручную составлять обширные математические таблицы начислений и процентов по кредитам.

Но человек часто допускает дорогостоящие и значимые ошибки, без этого не обойтись. Поэтому интерес к созданию механических суммирующих машин, которые не делали бы подобных ошибок, был весьма острым. По мере усложнения суммирующих машин развернулось неформальное соревнование между предприимчивыми изобретателями за то, чья машина окажется наиболее совершенной.

Возможно, самый смелый из этих проектов принадлежал эксцентричному английскому изобретателю и мечтателю Чарльзу Бэббиджу, которого часто называют отцом компьютера. Он отметился как любитель во множестве абсолютно разных областей, включая живопись и даже политику, но больше всего его занимали числа. К счастью, он родился в богатой семье, так что отец-банкир мог помочь реализовать его самые разнообразные интересы.

Его мечтой было создать самую совершенную вычислительную машину своего времени, которую могли бы использовать банкиры, инженеры, моряки и военные для безошибочного выполнения трудоемких, но важных расчетов. Он ставил перед собой две цели. Как один из членов-учредителей Королевского астрономического общества, он думал о создании машины, которая могла бы следить за движением планет и астрономических тел (следуя, по существу, тем же новаторским путем, каким шли создатели Антикитерского механизма). Также его занимало составление точных навигационных карт для морского судоходства. Англия была одной из мощнейших морских держав, а ошибки в навигационных картах могли стать причиной дорогостоящих катастроф. Бэббидж хотел создать самый мощный среди всех аналогов механический компьютер, чтобы отслеживать движение всего подряд, начиная от планет и заканчивая кораблями в море и процентными ставками.

Он с немалой убедительностью привлекал последователей-энтузиастов, чтобы те помогли в продвижении его амбициозного проекта. Одним из таких последователей стала леди Ада Лавлейс – аристократка и дочь лорда Байрона. Кроме того, она серьезно изучала математику, что было в то время большой редкостью среди женщин. Увидев маленькую работающую модель машины Бэббиджа, она сильно увлеклась этой интереснейшей программой.

Известно, что Лавлейс помогла Бэббиджу ввести в вычислительный процесс несколько новых концепций. Обычно механический вычислитель нуждался в наборе шестеренок и шпеньков, чтобы медленно и методично рассчитывать числа одно за другим. Но для получения таблиц, содержащих тысячи математических чисел разом (таких как логарифмы, процентные ставки и навигационные карты), необходим набор инструкций, который мог бы провести машину через множество последовательных итераций. Иными словами, требовалась программа, которая управляла бы последовательностью действий машины. Так что Лавлейс написала серию подробных инструкций, по которым машина могла систематически генерировать так называемые числа Бернулли, необходимые для проводимых расчетов.

Лавлейс стала в определенном смысле первым в мире программистом. Историки сходятся на том, что Бэббидж, вероятно, понимал важность программного обеспечения и программирования, но именно ее подробные заметки, написанные в 1843 г., представляли собой первый опубликованный образец компьютерной программы.

Кроме того, Лавлейс признавала, что компьютер не просто способен манипулировать числами, как считал Бэббидж, но в обобщенном виде может также описывать символьные концепции из широкого круга областей. Дорон Суэйд пишет: «Ада видела кое-что такое, чего Бэббидж в каком-то смысле увидеть не смог. В мире Бэббиджа его машины были ограничены работой с числами. Лавлейс же видела… что число может представлять и другие сущности, не только количество. Поэтому, если у вас есть машина для манипуляции числами, а эти числа представляют другие вещи, к примеру буквы или музыкальные ноты, то эта машина может по заданным правилам манипулировать символами, среди которых числа – всего лишь один пример»{12}.

В частности, Лавлейс указала, что компьютер можно было бы запрограммировать на создание музыкальных пьес. Она писала, что «машина могла бы сочинять изысканные и техничные музыкальные пьесы любой степени сложности и продолжительности»{13}. Так что компьютер в ее представлении был не просто шикарной суммирующей машиной и предназначался не только для щелканья чисел. Его можно было использовать также для исследования науки, искусства, музыки и культуры. К несчастью, Лавлейс умерла от рака в возрасте 36 лет, не успев развить эти революционные концепции.

Между тем, поскольку денег Бэббиджу хронически не хватало, к тому же он постоянно влезал в споры с коллегами, его мечта о создании самого совершенного механического вычислителя своего времени так никогда и не осуществилась. Когда он умер, многие его схемы и идеи умерли вместе с ним.

В последующие годы ученые не раз пытались выяснить точно, насколько совершенными были его машины. Так, схема одной из незаконченных моделей содержала 25 000 деталей. В построенном виде эта машина весила бы четыре тонны и возвышалась бы почти на два с половиной метра. Он так сильно обогнал свое время, что его машина могла бы манипулировать тысячей 50-значных чисел. Такого гигантского объема памяти не появится у других машин вплоть до 1960 г.

Примерно через 100 лет после смерти Бэббиджа инженеры лондонского Музея науки, опираясь на его схемы и записи, сумели достроить одну из его моделей и представить публике получившийся образец. И эта машина работает, как предсказывал в прошлом столетии Бэббидж.

Полна ли математика?

Пока инженеры строили все более сложные механические вычислители в ответ на потребности развивающегося промышленного мира, чистые математики задавались еще одним вопросом. Еще древнегреческие геометры мечтали продемонстрировать, что все истинные утверждения в математике могут быть строго доказаны.

1

Gordon Lichfield, "Inside the Race to Build the Best Quantum Computer on Earth," MIT Technology Review, February 26, 2020, 1–23.

2

Yuval Boger, interview with Dr. Robert Sutor, The Qubit Guy's Podcast, October 27, 2021; www.classiq.io/insights/podcast-with-dr-robert-sutor.

3

Matt Swayne, "Zapata Chief Says Quantum Machine Learning Is a When, Not an If," The Quantum Insider, July 16, 2020; www.thequantuminsider.com/2020/07/16/zapata-chief-says-quantum-machine-learning-is-a-when-not-an-if/.

4

Daphne Leprince-Ringuet, "Quantum Computers Are Coming, Get Ready for Them to Change Everything," ZD Net, November 2, 2020; www.zdnet.com/article/quantum-computers-are-coming-get-ready-for-them-to-change-everything/.

5

Dashveenjit Kaur, "BMW Embraces Quantum Computing to Enhance Supply Chain," Techwire/Asia, February 1, 2021; www.techwireasia.com/2021/02/bmw-embraces-quantum-computing-to-enhance-supply-chain/.

6

Cade Metz, "Making New Drugs with a Dose of Artificial Intelligence," The New York Times, February 5, 2019; www.nytimes.com/2019/02/05/technology/artificial-intelligence-drug-research-deepmind.html.

7

Ali El Kaafarani, "Four Ways That Quantum Computers Can Change the World," Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-could-change-the-world/?sh=7054e3664602.

8

"How Quantum Computers Will Transform These 9 Industries," CB Insights, February 23, 2021; www.cbinsights.com/research/quantum-computing-industries-disrupted/.

9

Matthew Hutson, "The Future of Computing," ScienceNews; www.sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-ethics.

10

James Dargan, "Neven's Law: Paradigm Shift in Quantum Computers," Hackernoon, July 1, 2019; www.hackernoon.com/nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers-e6c429ccd1fc.

11

"With $3.1 Billion Valuation, What's Ahead for PsiQuantum?," The Next Platform, July 27, 2021; www.nextplatform.com/2021/07/27/with-3–1b-valuation-whats-ahead-for-psiquantum/.

12

"Our Founding Figures: Ada Lovelace," Tetra Defense, April 17, 2020; www.tetradefense.com/cyber-risk-management/our-founding-figures-ada-lovelace/.

13

"Ada Lovelace," Computer History Museum; www.computerhistory.org/babbage/adalovelace/.