Квантовые вычисления

 

Квантовый компьютер корпорации Google. 

Мое детство пришлось на начало 1980-х гг., когда использование вычислительной техники в быту только-только становилось привычным делом. Поэтому нет ничего удивительного в том, что своими навыками машинописи я обязан не им, а механической печатной машинке, да и сама жизнь была совсем другой — никаких автоматов по продаже билетов на вокзалах, никакого интернета, никаких смартфонов. С большинством повседневных задач люди справлялись без помощи компьютеров, а многие вещи, которые мы сегодня воспринимаем как нечто само собой разумеющееся, просто не существовали. Образ жизни современных людей очень тесно связан с компьютерами, и вряд ли можно представить себе его без них. Ученые и политики придумали специальный термин для обозначения технологий, с появлением которых наша жизнь меняется: они называют их «дизруптивными». Выбор термина обусловлен тем, что с внедрением таких технологий в жизни людей наступает новый этап, происходит разрыв с прошлым, а изменения носят всеобъемлющий характер. Я думаю, что в ближайшие 10–20 лет мы станем свидетелями появления очередной дизруптивной технологии — квантовых вычислений.
 

Давайте сразу уточним один момент: квантовые компьютеры — это не просто очень быстрые компьютеры. Более того, они вообще не имеют ничего общего с обычными компьютерами (которые мы будем в дальнейшем называть «классическими», чтобы отличать их от квантовых) и вряд ли будут применяться для решения тех же самых задач, что и привычные нам компьютеры сегодня. Значение этой технологии совсем в другом — благодаря квантовым компьютерам мы сможем справиться с проблемами, о преодолении которых мы прежде не могли даже мечтать: это класс задач, для решения которых даже самым мощным современным суперкомпьютерам понадобились бы миллиарды лет. С появлением квантовых компьютеров перед нами откроются совершенно новые возможности, в результате чего в нашей жизни, скорее всего, произойдут изменения, которые мы просто не можем спрогнозировать. Чтобы понять, в чем заключаются эти возможности, и представить, как они изменят нашу жизнь, лучше всего начать с азов и рассмотреть базовые принципы работы квантового компьютера. Надеюсь, читатель не будет возражать, если я предварю свой рассказ небольшим экскурсом в квантовую физику.
 

В двух словах квантовая физика — это теория, объясняющая устройство окружающего нас мира. Однако теория эта не совсем обычна. Для начала — она предсказывает, что один и тот же объект может быть обнаружен в одно и то же время в двух разных местах. Да, вам не привиделось: если верить квантовой физике, то теоретически я мог бы сидеть за столом в Брайтоне, работая над этой главой, и одновременно загорать на пляже где-нибудь во Флориде. К сожалению, как бы мне ни хотелось сейчас оказаться где-нибудь подальше от своего стола, данный принцип не распространяется на крупные объекты вроде нас. Однако он достаточно часто наблюдается в лабораториях при изучении поведения отдельных атомов. То есть атом действительно может быть в двух разных местах одновременно. Данный феномен называют «суперпозицией». Сам по себе этот вывод из квантовой теории показался физикам настолько странным, что они провели немало экспериментов, пытаясь опровергнуть его. Но тщетно — эксперимент за экспериментом они получали один и тот же результат, подтверждавший, что все так и происходит.
 

Для иллюстрации странности поведения кванта приведу вам пример из собственной научной практики. В свое время специалист по квантовой физике Джерард Милберн предсказал возможность движения атома в двух направлениях — вперед и назад — одновременно. Чтобы понять, в чем заключается его идея, представьте, что ваша припаркованная у обочины машина оказалась зажата спереди и сзади двумя другими автомобилями. Вам нужно как-то выехать. Но вместо того, чтобы сначала проехать вперед, ударив машину спереди, а потом отъехать назад, толкнув машину сзади вас, вы ударяете обе машины — и ту, что спереди, и ту, что сзади, — одновременно! Когда я был молодым, эта идея захватила мое воображение. Поэтому собственную научную карьеру я начал именно с этого эксперимента. Приложив немало усилий и проведя в лаборатории не одну бессонную ночь, спустя приблизительно три года нам наконец удалось пронаблюдать данный феномен — одновременное движение атома вперед и назад, представляющее собой пример квантовой суперпозиции.

Несмотря на всю свою экзотичность, суперпозиция далеко не самое странное из того, что изучает квантовая физика! Существует еще один феномен — квантовая запутанность, — который представляется даже более диковинным. Более того, корректно объяснить, в чем он заключается, не прибегая к математическим уравнениям, просто невозможно. Но давайте все-таки попробуем предельно просто сформулировать его суть.

Существует возможность связать друг с другом два квантовых объекта (например, два атома) таким образом, чтобы любое воздействие на один из них мгновенно отражалось на втором, даже несмотря на большое расстояние между ними и невозможность непосредственного взаимодействия. Эта особенность квантовой физики совершенно не устраивала Эйнштейна, который называл ее призрачной и предлагал провести опровергающие эксперименты. Вот уже 60 лет физики занимаются проведением таких экспериментов, постоянно совершенствуя свои подходы и стараясь использовать все возможные лазейки, которые только могут прийти им в голову. Однако результат всегда один и тот же: квантовая физика, судя по всему, не ошибается, и странные феномены вроде суперпозиции и запутанности действительно имеют место.
 

Пока одни исследователи никак не могут свыкнуться со странностями квантовой физики, другие воспринимают их как данность и берутся за решение новых задач. Их интересует, можно ли поставить квантовые эффекты на службу людям, создать новые технологии, реализуя потенциал, заложенный в странных предсказаниях квантовой физики. Идей у них немало. Одна из них, например, связана с созданием нового поколения датчиков, способных с беспрецедентной точностью определять электромагнитные поля или даже измерять саму силу притяжения (одно из возможных применений — поиск трубопроводов под землей). В числе других вариантов использования — квантовая криптография, которая позволит нам безопасно общаться друг с другом, зная, что на страже нашего покоя стоят сами законы физики, гарантирующие, что никто и никогда не сможет узнать содержание нашей переписки.
 

Во всех приведенных примерах используются захватывающие технологии, которые имеют все шансы оказать существенное влияние на нашу жизнь. Однако, как мне кажется, именно квантовые вычисления — та технология, которая принесет с собой наиболее радикальные (и при этом трудно поддающиеся осознанию) изменения. Поэтому позволю себе пояснить более подробно, в чем заключается ее новизна и сила.

Квантовая механика объясняет, как из движения атомов и взаимодействий между ними рождаются все известные нам свойства материи во Вселенной, включая цвет объекта, его прочность, тепло- и электропроводимость. Она также объясняет, как в результате взаимодействия атомов в нашем организме мы получаем возможность видеть, ощущать запахи и вообще взаимодействовать с миром вокруг нас. Это невероятно мощная теория.
 

Но есть одна большая проблема: квантово-механические процессы чрезвычайно трудно описывать и рассчитывать с помощью обычных компьютеров. Более того, большинству современных компьютеров просто-напросто не по зубам практически любая проблема из области квантовой механики, так как для проведения вычислений в рамках квантовой физики с высокой степенью точности требуется колоссальная вычислительная мощь. На поиск решения многих по-настоящему интересных проблем с помощью классических компьютеров уйдут миллиарды лет. Поэтому работа ученых по всему миру сегодня по большому счету сводится к созданию таких крайне упрощенных моделей квантовых процессов, чтобы их можно было обсчитывать на существующих компьютерах. Однако, если сравнивать с точным решением соответствующей задачи квантовой физики, расчеты, выполненные по таким неизбежно упрощенным моделям, никогда не дают точной картины исследуемых процессов. Это, в свою очередь, означает, что мы упускаем колоссальные возможности — ведь мы могли бы разработать новые лекарственные препараты, создать новые материалы, понять, как происходит фолдинг белка, а также контролировать и понимать биологические процессы. И это только начало списка возможных вариантов применения! Решение таких проблем может быть по плечу квантовому компьютеру, так как сам принцип его работы напрямую связан с причудливыми особенностями квантовой механики, что обеспечивает возможность точного моделирования сложных систем, основанных на квантовой физике! Мы только начинаем осознавать, насколько революционными могут быть последствия внедрения квантовых компьютеров.

Возможно ли сейчас ответить на вопрос о том, к каким прорывам в понимании физических систем и контроле над ними может привести применение квантовых компьютеров? К сожалению, мы можем только предполагать. Впрочем, с помощью квантовой физики вполне реально объяснить работу любой физической системы и различные ее особенности. Не нужно иметь научную степень по физике, чтобы понять таящиеся в ней поистине безграничные возможности. Более того, ничего похожего на квантовые компьютеры для осмысления реальности до сих пор никогда не использовалось, а значит, они способны радикально изменить наше понимание Вселенной и даже самой жизни.
 

Звучит захватывающе! Однако есть еще одна сфера применения квантовых компьютеров, которая может иметь не менее серьезное влияние на нашу жизнь. Чтобы понять, о чем идет речь, лучше всего начать с небольшого рассказа о том, как работают классические вычислительные системы. Все последние 30 лет вычислительная мощь компьютеров непрерывно растет, приблизительно удваиваясь каждые 18 месяцев. Эту закономерность называют «законом Мура». Главным фактором этого роста является миниатюризация транзисторов, из которых состоит процессор компьютера. Казалось бы, такое непрерывное наращивание вычислительной мощи не может не впечатлять. Однако некоторые задачи настолько сложны, что даже лучшим из существующих сейчас компьютеров понадобится слишком много времени, чтобы справиться с ними. В качестве примеров таких задач можно привести прогнозирование погоды и определение оптимальной стратегии инвестирования на рынке ценных бумаг для получения максимальной прибыли. Еще один возможный вариант применения — расчет оптимального маршрута, который бы позволил курьерской компании доставить сразу несколько посылок по разным адресам за одну поездку. С ростом степени сложности задач (увеличением числа доставляемых отправлений или временного диапазона при построении прогноза погоды) увеличивается и количество параметров, необходимых для моделирования.

Потому-то классические компьютеры и не могут довести вычисления до конца — им просто не хватает для этого вычислительных ресурсов.
 

У квантовых же компьютеров это вполне может получиться. В классическом компьютере информация кодируется бинарными битами, каждый из которых может быть равен только либо нулю, либо единице. Таким образом, информация, которая должна быть обработана процессором (например, число), представляется цепочкой битов. Давайте для примера возьмем два бита. Представим, что у нас есть комбинация 01 (двоичное представление единицы) и 10 (двоичное представление числа 2). Допустим, что эти два числа передаются процессору, который производит операцию сложения. Полученный результат записывается в те же два бита нашей памяти — в данном случае это 11 (двоичное представление числа 3). После этого оно используется в следующей операции, чтобы получить еще один ответ. Классический компьютер характеризуется последовательным, одно за другим, выполнением вычислений. Квантовый компьютер может преодолеть это ограничение, используя принцип суперпозиции. Это означает, что два квантовых бита (кубита) могут одновременно содержать в себе все возможные комбинации двух битов, то есть четыре числа — 0, 1, 2, 3 (00, 01, 10 и 11 в двоичном представлении)! При этом все возможные операции с этими четырьмя числами в квантовом процессоре также выполняются одновременно! Более того, согласно одной из трактовок квантовой физики, такие вычисления на самом деле выполняются в параллельных вселенных. Сравнение двух битов с двумя кубитами не дает в полной мере ощутить всей разницы между классическим компьютером и квантовым (четыре числа квантового компьютера против одного классического). Но стоит нам перейти к примерам с большим числом битов, разница становится намного более заметной. Десять кубитов могут хранить 1024 различных чисел одновременно, а 100 — уже 1267650600228230000000000000000. И притом одновременно! В отличие от квантового компьютера, который может проводить вычисления сразу над всеми этими числами, классическому компьютеру придется выполнять их одно за другим. Данный пример со всей очевидностью показывает, откуда берется колоссальная мощь квантовых компьютеров.
 

Есть, однако, серьезная проблема. Если даже квантовый компьютер и способен выполнить множество вычислений за раз, вывести все результаты сразу невозможно — можно получить только один из них. Тем не менее существует способ обойти данное ограничение. Можно сделать так, чтобы этот единственный ответ зависел от всех вычислений, что позволит воспользоваться результатами каждого из них. Таким образом, чтобы воспользоваться возможностями, которые дают квантовые вычисления, мы должны сосредоточиться на задачах, где нам нужен один ответ, зависящий от множества отдельных вычислений или операций. К числу таких задач относится, например, поиск по базе данных. Представьте, что вам нужно найти в телефонном справочнике человека по номеру телефона. Чтобы найти нужное имя, в среднем вам придется просмотреть половину всех записей. В некоторых случаях вам может повезти, и нужное имя найдется в самом начале справочника; но будут и такие ситуации, когда вам придется пролистать почти весь справочник, пока вы доберетесь до нужного человека. Но, если взять среднее количество страниц, просмотренных вами при поиске множества разных людей, окажется, что оно равно половине всего количества страниц в телефонном справочнике. Именно при решении проблем такого рода может в полной мере раскрыться потенциал квантового компьютера: алгоритмы поиска среди тех приложений, для которых доказана возможность существенного увеличения быстродействия для квантового компьютера по сравнению с классическим. Создание алгоритмов, реализуемых на квантовом компьютере, — быстро растущая область исследований, но это пока только самое начало. Тем не менее уже сейчас у нас есть немало высокоэффективных алгоритмов (их список приводится на веб-сайте NIST Quantum Algorithm Zoo), что вселяет определенный оптимизм.
 

Так как же все-таки воплотить идею квантового компьютера в реальность? К сожалению, это невероятно сложно, и многие десятилетия ученым казалось, что это вообще невозможно. Впрочем, благодаря многочисленным важным открытиям, совершенным в последние годы, отношение к этому вопросу изменилось. Думаю, если исходить из современного уровня знаний, можно утверждать, что имеющиеся сейчас технологии вполне позволяют построить квантовый компьютер. Однако, учитывая объем инженерно-технической работы, который при этом придется проделать, по уровню сложности и амбициозности эта задача сопоставима с полетом человека на Марс. Но давайте все-таки рассмотрим подробнее, что именно требуется.
 

Самый важный компонент — физическая система, демонстрирующая квантовое поведение. Ведь, чтобы наш компьютер работал, нам понадобятся такие квантовые феномены, как суперпозиция и квантовая запутанность. Хорошая новость в том, что это дает нам определенную свободу выбора, так как квантовые эффекты присущи любой физической системе. Недаром при обсуждении первых проектов квантовых компьютеров ученые предлагали использовать самые разные физические системы. Среди них были, например, кремниевые пластины с атомами других элементов, образующих на поверхности пластины примеси, которые затем хранили квантовые биты, отдельные электроны, перемещающиеся в гелии, заряженные атомы (ионы), сверхпроводящие цепи, фотоны и множество других систем. Было рассмотрено бесчисленное количество идей.
 

Несмотря на то что во всех этих системах, конечно же, проявляются квантовые эффекты, самое трудное — это научиться полностью их контролировать, чтобы иметь возможность воспроизводить данные эффекты тогда, когда это необходимо. Физики обладают богатым опытом наблюдения необычных феноменов, предсказываемых квантовой механикой. Но управлять ими чрезвычайно трудно. Отчасти это объясняется тем, что такие эффекты прекращаются при первом же нежелательном взаимодействии (как раз по этой причине мы и не можем наблюдать нахождение двух крупных объектов, таких, например, как люди, одновременно в двух разных местах). Конечно, мы до сих пор продолжаем исследовать многие физические системы, и, возможно, среди них найдутся такие, которые вполне могут предложить идеальную архитектуру квантового компьютера в будущем. На данный момент существует два основных претендента на эту роль. В изучении каждого из них уже были достигнуты впечатляющие результаты, благодаря чему мы сегодня уже можем говорить о возможности построения полномасштабного квантового компьютера.
 

Один из кандидатов предполагает использование квантового феномена под названием «сверхпроводимость». Причем, чтобы квантовый компьютер с такой архитектурой работал, его придется охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю (–273 °C).

Для пары кубитов сделать это нетрудно, но, если речь идет о миллиардах кубитов, инженерная составляющая становится куда более сложной.
 

Второй претендент, представляющий собой физическую систему с оптимальными на данный момент показателями, — удерживаемые в ловушках ионы, которые могут выполнять свои функции при комнатной температуре, а в некоторых случаях требуют «умеренного» охлаждения (до –196 °C, температуры сжиженного азота). Всего несколько месяцев назад группа исследователей под моим руководством в Университете Сассекса при участии ряда выдающихся ученых из компании Google, Орхусского университета, японского Института физико-химических исследований (RIKEN) и Зигенского университета опубликовала первый в истории проект полнофункционального квантового компьютера, предусматривающий использование захваченных ионов. И как раз сейчас мы занимаемся созданием такого устройства в Университете Сассекса.

Давайте рассмотрим чуть подробнее принцип работы квантового компьютера с использованием захваченных ловушками ионов. Каждый ион — это один кубит. Внутри каждой удерживающей ион ловушки — глубокий вакуум, что исключает для всякого хранящего кубит атома любые столкновения или какое-либо иное взаимодействие с другими атомами системы. Ионы удерживаются внутри ловушек электростатическим полем, создаваемым электродами, которые соединены со специально спроектированными для этой цели микрочипами. Электроды создают поле, по своей структуре напоминающее сеть со множеством пересечений, что-то вроде обширного лабиринта из игры PACMAN. Меняя напряжение на электродах, можно заставить ионы двигаться по лабиринту. Пересекая эквипотенциальные поверхности, ионы попадают из области, служащей памятью, в области квантовых вентилей, где над ними производятся квантовые логические операции. Обычно такие операции выполняются с помощью отдельных пар лазерных лучей, которые должны быть выровнены относительно друг друга с точностью до микрометра. В этом случае для вычисления потребовалось бы столько же пар лазерных лучей, сколько кубит в нем задействовано, то есть потенциально — миллиарды. Работу этого метода на примере нескольких ионов представить еще можно. Такие эксперименты проводились. Но представьте, какие инженерные решения понадобятся для того, чтобы создать квантовый компьютер с миллиардами таких пар лазеров, способных обеспечить миллиарды ионов!
 

К счастью, не так давно нам удалось найти новый подход, позволяющий обойтись вообще без лазерных лучей — их функцию выполняет меняющееся напряжение микрочипа. Это существенно упрощает задачу построения полноценного квантового компьютера. В своем описании проекта будущего квантового компьютера мы постарались подробно осветить все инженерные задачи, с которыми необходимо справиться. Мы решили не полагаться на будущие открытия в физике. Мы собрали то, что позволит нам сконструировать и построить полноценный квантовый компьютер уже сейчас. Поэтому задуманная нами машина будет не так хороша, как нам бы хотелось. Она будет большой (размером со здание или, возможно, даже с целое футбольное поле), очень дорогой, да и к тому же на ее строительство может уйти 10–15 лет. Однако явных препятствий со стороны фундаментальной физики, которые могли бы помешать нам построить такую машину, уже нет. Из сказанного выше со всей очевидностью следует вывод о том, что до создания компактных квантовых компьютеров для домашнего использования еще очень и очень далеко. Впрочем, наверное, это не так уж и страшно. В конце концов, первые классические компьютеры также не были маленькими — для их размещения требовалось целое здание. В эпоху облачных технологий кажется куда более практичным разместить квантовый компьютер в одном месте и предоставить удаленным пользователям возможность пользоваться им для вычислений.
 

В связи с этим было бы логично задаться вопросом о текущем состоянии дел в сфере коммерческих квантовых вычислений. Канадская компания D-Wave пошла на смелый шаг, выйдя на рынок с технологией, которую она называет «квантовым компьютером». Многие физики отнеслись к этому заявлению скептически. Если судить по результатам недавних исследований, в работе машины, имеющейся у D-Wave, действительно определенную роль играют некоторые квантовые процессы. Однако я не видел никаких доказательств, что эти машины когда-нибудь смогут стать универсальными квантовыми компьютерами — в том смысле, что на них можно будет полноценно запускать все те приложения, которые были теоретически спроектированы для квантового компьютера. Все дело в том, что физические объекты, используемые в машине D-Wave для хранения и обработки информации, не обладают теми же возможностями, что и, например, ионные ловушки. Как таковые машины D-Wave могут рассматриваться как компьютеры, предназначенные для решения лишь определенного класса задач и не обеспечивающие достаточной гибкости, которая позволила бы им когда-либо превратиться в универсальный квантовый компьютер. Пусть это звучит и не слишком впечатляюще, но для такой машины могут быть созданы свои очень интересные приложения.
 

Построение универсального квантового компьютера считается одной из самых заветных целей науки. Одновременно с этим есть немало крупных компаний, которые проявляют интерес к разработке теории квантовых вычислений, осознавая, что сама причастность этих компаний к данной технологии может иметь решающее значение для их выживания. В качестве примеров могут служить компании IBM, Google и Microsoft, а также некоторые стартапы — такие, например, как IonQ. Кроме того, работа по созданию квантовых компьютеров и выводу их на рынок ведется в ряде университетов. Можно утверждать, что к настоящему времени большинство известных барьеров на пути к построению квантового компьютера преодолены. Однако с инженерной точки зрения эта задача по-прежнему остается весьма непростой. Так что нам предстоит ждать появления первых полномасштабных машин еще одно-два десятилетия. В процессе работы над ними, несомненно, будут появляться различные технологические решения. Возможности, открывающиеся благодаря этой технологии, настолько велики, что с ее появлением мир может измениться до неузнаваемости, и нам исключительно повезло быть частью поколения, которому, скорее всего, суждено стать свидетелем чудесных результатов ее применения.

Винфрид Хензингер

Статья из книги "На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?"