Серйозні квантові комп'ютери готові до роботи. На що вони здатні?

У невеликій лабораторії у пишній сільській місцевості в сотні кілометрів на північ від Нью-Йорка зі стелі звисає складна плутанина трубок і електроніки. Це комп'ютер, нехай і безладний на вигляд. І це не звичайний комп'ютер. Можливо, на його роду написано стати одним з найважливіших в історії. Квантові комп'ютери обіцяють проводити обчислення далеко за межами досяжності будь-якого звичайного суперкомп'ютера. Вони можуть зробити революцію у сфері створення нових матеріалів, дозволивши імітувати поведінку матерії аж до атомного рівня. Вони можуть вивести криптографію і комп'ютерну безпеку на новий рівень, зламуючи донині неприступні коди. Є навіть надія, що вони виведуть штучний інтелект на новий рівень, допоможуть йому більш ефективно просіяти і переробляти дані.

І тільки зараз, через десятиліття поступового прогресу, вчені, нарешті, наблизилися до створення квантових комп'ютерів, досить потужних, щоб робити те, що звичайні комп'ютери робити не можуть. Цей орієнтир красиво називають «квантовим перевагою». Рух до цього орієнтиру очолює Google, за ним слідують Intel і Microsoft. Серед них — добре фінансовані стартапи: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits та інші.

І все ж ніхто не може зрівнятися з IBM в цій області. Ще 50 років тому компанія домоглася успіхів у галузі матеріалознавства, яка заклала основи для комп'ютерної революції. Тому в минулому жовтні MIT Technology Review вирушили в Дослідницький центр Томаса Уотсона при IBM, щоб відповісти на питання: у чому квантовий комп'ютер буде хороший? Чи можна побудувати практичний, надійний квантовий комп'ютер?

Навіщо нам потрібен квантовий комп'ютер?

Цей дослідницький центр, розташований в Йорктаун-Хайтс, трохи схожий на літаючу тарілку, як і замислювалося в 1961 році. Він був спроектований архітектором-неофутуристом Ееро Сааріненом і побудований під час розквіту IBM як творця великих мейнфреймів для бізнесу. IBM була найбільшою комп'ютерною компанією в світі, і за десять років будівництва дослідницького центру вона стала п'ятою найбільшою компанією в світі, відразу після Ford і General Electric.

Хоча коридори будівлі дивляться на село, дизайн такий, що ні в одному з офісів всередині немає вікон. В одній з таких кімнат і виявився Чарльз Беннет. Зараз йому 70, у нього великі білі бакенбарди, він носить чорні шкарпетки з сандалями і навіть пенал з ручками. В оточенні старих комп'ютерних моніторів, хімічних моделей і, несподівано, невеликого диско-кулі, він згадував народження квантових обчислень так, ніби це було вчора.

Коли Беннетт приєднався до IBM в 1972 році, квантової фізики вже було півстоліття, але обчислення все ще покладалися на класичну фізику і математичну теорію інформацію, яку розробив Клод Шеннон в MIT в 1950-х роках. Саме Шеннон визначив кількість інформації числом бітів» (цей термін він популяризував, але не винайшов), необхідних для її зберігання. Ці біти 0 і 1 бінарного коду, лягли в основу традиційних обчислень.

Через рік після прибуття в Йорктаун-Хайтс Беннетт допоміг закласти основу для теорії квантової інформації, яка кинула виклик попередньої. Вона використовує химерне поведінку об'єктів в атомних масштабах. В таких масштабах частинка може існувати в «суперпозиції» множини станів (тобто в множині позицій) одночасно. Дві частинки також можуть «застрягнути», так що зміна стану однієї миттєво відгукується на другий.

Беннетт і інші зрозуміли, що деякі види обчислень, які займають дуже багато часу або взагалі неможливі, можна було б ефективно проводити за допомогою квантових явищ. Квантовий комп'ютер зберігає інформацію в квантових бітах, або кубітах. Кубіти можуть існувати в суперпозициях одиниць і нулів (1 і 0), і заплутаність і інтерференцію можна використовувати для пошуку обчислювальних рішень у величезному числі станів. Порівнювати квантові і класичні комп'ютери не зовсім правильно, але, висловлюючись фігурально, квантовий комп'ютер з декількома сотнями кубітів може виробляти більше обчислень одночасно, ніж атомів у відомої всесвіту.

Влітку 1981 року IBM і MIT організували знаковий захід під назвою «Перша конференція з фізики обчислень». Воно проходило в готелі Endicott House, особняку у французькому стилі недалеко від кампуса MIT.

На фото, яке Беннетт зробив під час конференції, на галявині можна побачити деяких з найбільш впливових фігур в історії обчислювальної та квантової фізики, включаючи Конрада Зузе, який розробив перший програмувальний комп'ютер, і Річарда Фейнмана, внесла важливий внесок у квантову теорію. Фейнман тримав на конференції ключову промову, в якій підняв ідею використання квантових ефектів для обчислень.

«Найбільший поштовх квантова теорія інформації отримала від Фейнмана», говорить Беннетт. «Він сказав: квантова природа, мати її! Якщо ми хочемо імітувати її, нам знадобиться квантовий комп'ютер».

Квантовий комп'ютер IBM — один з найперспективніших з усіх існуючих — розташований прямо по коридору від офісу Беннетта. Ця машина призначена для створення і маніпуляції важливим елементом квантового комп'ютера: кубітами, які зберігають інформацію.

Прірва між мрією і реальністю

Машина IBM використовує квантові явища, які протікають в надпровідних матеріалах. Наприклад, іноді струм тече по вартовий і проти годинникової стрілки одночасно. Комп'ютер IBM використовує надпровідниковихмікросхеми, в яких кубіт складають два різних електромагнітних енергетичних стану.

Сверхпроводимый підхід має масу переваг. Апаратне забезпечення можна створювати за допомогою добре відомих усталених методів, а для управління системою можна використати звичайний комп'ютер. Кубіти в надпровідної схемою легко піддаються маніпуляції і менш делікатні, ніж окремі фотони або іони.

У квантовій лабораторії IBM інженери працюють над версією комп'ютера з 50 кубітами. Ви можете запустити симулятор простого квантового комп'ютера на звичайному комп'ютері, але при 50 кубітах це буде практично неможливо. І це значить, що IBM теоретично наближається до точки, за якою квантовий комп'ютер зможе вирішувати проблеми, недоступні класичного комп'ютера: іншими словами, квантове перевагу.

Але вчені з IBM скажуть вам, що квантовий перевага — це невловима концепція. Вам знадобиться, щоб всі 50 кубітів працювали ідеально, коли в реальності квантові комп'ютери сильно страждають від помилок. Також неймовірно важко підтримувати кубіти протягом заданого періоду часу; вони схильні до «декогеренции», тобто до втрати своєю делікатною квантової природи, немов колечко диму розчиняється при найменшому подиху вітерця. І чим більше кубітів, тим складніше впоратися з обома завданнями.

«Якщо б у вас було 50 або 100 кубітів і вони дійсно працювали б досить добре, а також були повністю позбавлені помилок, ви могли б проводити незбагненні обчислення, які не можна було б відтворити на будь класичної машині, ні зараз, ні тоді, ні в майбутньому», говорить Роберт Шелькопф, професор Єльського університету і засновник компанії Quantum Circuits. «Зворотна сторона квантових обчислень полягає в тому, що є неймовірне число можливостей для помилки».

Інша причина для обережності полягає у тому, що не зовсім очевидно, наскільки корисним буде навіть ідеально функціонуючий квантовий комп'ютер. Він не просто прискорює вирішення будь-якої задачі, яку ви йому підкинете. По суті, у багатьох пологах обчислень він буде незрівнянно «тупіше» класичних машин. Не так багато алгоритмів було визначено до цього моменту, в яких квантовий комп'ютер буде мати очевидну перевагу. І навіть із ними ця перевага може бути недовговічним. Найвідоміший квантовий алгоритм, розроблений Пітером Шором з MIT, призначений для пошуку простих множників цілого числа. Багато відомих криптографічні схеми покладаються на той факт, що цей пошук дуже важко здійснити звичайного комп'ютера. Але криптографія може адаптуватися і створити нові види коду, не покладаються на факторизацию.

Ось чому, навіть наближаючись до 50-кубитной вісі, дослідники IBM самі намагаються розвіяти галас. За столом у коридорі, який виходить на пишний газон зовні, варто Джей Гамбетта, високий австралієць, який досліджує квантові алгоритми та потенційні додатки для обладнання IBM. «Ми знаходимося в унікальному становищі», говорить він, обережно вибираючи слова. «У нас є це пристрій, що складніше всього, що можна змоделювати на локальному комп'ютері, але воно поки що не контролюється з достатньою точністю, щоб проводити через нього відомі алгоритми».

Що дає всім айбиэмщикам надію на те, що навіть неідеальний квантовий комп'ютер може бути корисним.

Гамбетта і інші дослідники почали з додатка, яке Фейнман передбачав ще в 1981 році. Хімічні реакції та властивості матеріалів визначаються взаємодією між атомами і молекулами. Ці взаємодії управляються квантовими явищами. Квантовий комп'ютер може (принаймні в теорії) моделювати їх так, як не може звичайний.

У минулому році Гамбетта і його колеги з IBM використовували семикубитную машину для моделювання точної структури гідриду берилію. Складається всього з трьох атомів, ця молекула є найскладнішою з усіх, які моделювалися з застосуванням квантової системи. В кінцевому підсумку вчені зможуть використовувати квантові комп'ютери для проектування ефективних сонячних батарей, препаратів або каталізаторів, що перетворюють сонячне світло в чисте паливо.

Ці цілі, звичайно, ще дуже далекі. Але як говорить Гамбетта, цінні результати можна отримати вже працюють в парі квантового і класичного комп'ютерів.

для фізика мрія, для інженера кошмар

«Галас підштовхує усвідомлення того, що квантові обчислення реальні», говорить Айзек Чуань, професор MIT. «Це вже не мрія фізика — це кошмар інженера».

Чуань керував розробкою самих перших квантових комп'ютерів, працюючи в IBM в Альмадені, Каліфорнія, в кінці 1990-х – початку 2000-х років. Хоча він більше не працює на них, він також вважає, що ми знаходимося на початку чогось дуже великого і що квантові обчислення в кінцевому підсумку зіграють роль навіть в розвитку штучного інтелекту.

Він також підозрює, що революція не почнеться, поки нове покоління студентів і хакерів не почне грати з практичними машинами. Квантові комп'ютери вимагають не тільки інших мов програмування, але і принципово іншого способу мислення про програмування. Як говорить Гамбетта, «ми насправді не знаємо, що еквівалентно «Привіт, світ» на квантовому комп'ютері».

Але ми починаємо шукати. У 2016 році IBM з'єднала невеликий квантовий комп'ютер з хмарою. Використовуючи інструмент для програмування QISKit, ви можете запускати найпростіші програми;тисячі людей, від академіків до школярів, вже створювали програми на QISKit, які обробляють прості квантові алгоритми. Тепер Google та інші компанії намагаються вивести квантові комп'ютери в онлайн. Вони не здатні на багато що, але дають людям можливість відчути, що таке квантові обчислення.