12 декабря 2018
USD EUR
Погода
Москва

Мир под угрозой вычисления

В начале марта Google объявил о создании самого мощного в мире квантового компьютера, работающего на 72 кубитах. Одновременно с этим в России основали консорциум, который, пользуясь господдержкой, подготовит отечественный ответ разработкам Google. Новости о квантовых компьютерах сейчас появляются почти ежедневно: хотя теоретическая идея такой машины не нова, лишь в последние годы произошел прорыв в ее практическом воплощении. Теперь мощности компьютеров растут по экспоненте, а за лидерство в их наращивании конкурируют десятки лабораторий по всему миру.

Считается, что квантовые компьютеры придут на замену классическим, при этом демонстрируя лучшую производительность за счет своей особой физической природы. Символическим моментом станет достижение «квантового превосходства» – рубежа, на котором квантовый компьютер справится с задачей, непосильной его традиционному «собрату». Хотя это только полдела: ученым еще предстоит оптимизировать свойства квантовых чипов, исключить ошибки в вычислениях, разработать квантовый софт под разнообразные задачи и уменьшить габариты устройств.

После того как эти вопросы будут решены, квантовые компьютеры неминуемо хлынут на рынок. Их коммерческий потенциал колоссален: от поиска по базам данных до создания цифровой копии всей человеческой жизни. Причем разработчики сами не до конца представляют, где будет полезен квантовый компьютер: ожидается, что он вдохновит зарождение новых отраслей, в конечном счете перестроив всю привычную среду обитания. Масштаб бытовых и психологических трансформаций, с которыми столкнется мир в квантовом будущем, трудно даже вообразить. Но принесет он и новые опасности – вплоть до тотального взлома паролей, социальных катаклизмов и кибервойн.

Квантовый скачок

В начале XX века работы Альберта Эйнштейна и Макса Планка заложили фундамент квантовой механики, описывающей мир на микроуровне. Благодаря ей удалось выяснить, что внутри атома жизнь протекает по совсем иным законам: координаты и скорость частиц находятся в «подвешенном», принципиально неопределимом состоянии. С середины XX века мир наполняют технологии, созданные на основе открытий квантовой механики. Например, лазер – квантовый источник света. По большому счету, вся компьютерная индустрия – интегральные схемы, флэш-память, компакт-диски и т. д. – обязана своим возникновением квантовой теории.

Однако в ту эпоху (называемую в некоторых источниках «первой квантовой революцией») речь шла лишь о коллективном управлении потоками частиц. Работать с частицами по отдельности ученые еще не умели. Подобные инициативы стали появляться в начале 1980‑х годов. В 1981 году физик Ричард Фейнман выступил со знаменитой речью в Массачусетском технологическом институте (MIT): поскольку природа материи квантовая, то смоделировать ее на атомном уровне сможет только компьютер, основанный на квантовых принципах, настаивал ученый. Тогда же идею о квантовых вычислениях высказал советский математик Юрий Манин.

Квантовый компьютер отличается от традиционного столь же радикально, как последний – от деревянных счетов. Если в обычном компьютере единица хранения информации, бит, принимает значения 0 или 1, то квантовый бит (кубит) может находиться в обоих состояниях одновременно («квантовая суперпозиция»), то есть «измерить» его можно лишь с некой долей вероятности. На практике это ускоряет вычисления в тех случаях, где для поиска ответа нужно перебрать множество вариантов. К примеру, если традиционному компьютеру поручить поиск выхода из лабиринта, то машина переберет все варианты путей, упрется во все возможные тупики и лишь тогда выяснит, где выход. Квантовый же компьютер «двинется» по всем путям одновременно и сразу выдаст ответ.

В конце XX века продвижение на квантовом фронте давалось ученым тяжело. В 1980‑х идея квантовых вычислений вовсе не имела конкретики. Только в 1990‑х были сформулированы базовые операции – алгоритм Шора по разложению чисел на простые множители (простейший пример – 5х3 = 15) и алгоритм Гровера по поиску информации в базах данных. В 2000 году в Мюнхенском техническом университете построили компьютер из пяти кубитов, в 2001‑м в IBM представили 7‑кубитное устройство. Дальше дело застопорилось. «На рубеже веков создание и управление квантовыми системами выглядело нерешаемой задачей, – объясняет «Профилю» старший научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров. – «Поймать» один атом, контролировать и измерять его характеристики – для этого потребовался научный прогресс последних 10–15 лет. Сейчас базовый набор технологий для этого создан. Также сформировалось понимание, на что способен квантовый компьютер. Плюс в последние 3–4 года потекли инвестиции в разработки. То есть все тренды сошлись воедино».

Прошлый год принес настоящий прорыв в масштабировании квантовых технологий. В июле международная группа под руководством гарвардского профессора Михаила Лукина создала 51‑кубитный компьютер. В ноябре в университете Мэриленд появился 53‑кубитный экземпляр, в IBM – 50‑кубитный. В этом году парад новинок продолжается. В январе Intel сообщил о квантовом чипе Tangle Lake на 49 кубитах. А пару недель назад Google презентовал 72‑кубитный процессор Bristlecone, созданный известным физиком Джоном Мартинисом. Добавление каждого кубита приводит к двукратному возрастанию вычислительного потенциала – то есть между 7 и 72 кубитами разница составляет 265 раз.

«Компьютеры на несколько сот кубитов будут построены в этом или следующем году, на несколько тысяч – через три–пять лет, – прогнозирует амбассадор Singularity University Евгений Кузнецов. – Рост идет по экспоненциальной траектории, как обычно бывает с технологиями. Сначала прогресс шел осторожно, казалось, что ничего не происходит. Но теперь накопилась критическая масса достижений, и развитие станет необычайно быстрым».

Отдельного упоминания заслуживает многообразие квантовых технологий: кубиты создаются на основе ультрахолодных атомов (группа Лукина), ионовых ловушек (группа в Мэриленде), полупроводниковых спинов (Intel), сверхпроводящих элементов (Google). «Тот факт, что несколько платформ одновременно вышли на высокий уровень, впечатляет, – отмечает Федоров. – Пару лет назад казалось, что безальтернативной технологией будут сверхпроводящие кубиты, но теперь найдены другие удачные решения. Это обостряет конкуренцию».

Коварные кубиты

Впрочем, перед разработчиками остается немало проблем теоретического и практического свойства. Операции с кубитами затруднены в силу их квантовой природы. Малейший контакт с внешней средой грозит утерей кубитом ценного состояния суперпозиции. При этом группы кубитов могут находиться в этом состоянии только совместно (будучи в связанном, или когерентном состоянии): «поломка» одного кубита обрушивает всю хрупкую систему (декогеренция). В итоге чем больше в компьютере задействовано кубитов, тем труднее стабилизировать их работу. Пока кубитам не удается продержаться в состоянии когерентности и секунды – за это время многого не вычислишь. Одним из первых метод борьбы с декогеренцией предложил российский физик Алексей Китаев в 1997 году. Постепенно эти методы работают все успешнее, рассказал «Профилю» замглавы лаборатории искусственных квантовых систем при Московском физико-техническом институте Иван Храпач: «У 72‑кубитной системы Google когерентность не снижена по сравнению с 50‑кубитными, что уже хорошо. Кубиты учатся размещать на чипе так, чтобы они не мешали друг другу, а взаимодействие между ними было контролируемым, включалось и выключалось по команде».

IBM Research⁄FlickrС продлением когерентности связан и вопрос точности вычислений: нестабильность квантовых состояний приводит к ошибкам в результатах, от которых пока не удалось избавиться ни одному компьютеру. Самым надежным считается 9‑кубитный экземпляр, построенный Google в 2016 году, – в нем вероятность ошибки составляет 0,1%. В IBM же продвинулись в написании алгоритмов по автоматическому исправлению ошибок. «Методы коррекции ошибок – не менее важный параметр компьютера, чем простое число кубитов, – говорит Кузнецов. – Это передний край квантовой мысли, именно здесь скоро развернется соперничество».

Отдельный вопрос – получится ли вообще сделать квантовый компьютер универсальным. На данном этапе создаются только симуляторы, способные работать с ограниченным набором алгоритмов. Задать им произвольную задачу не получится. Но без многофункциональности, присущей классическому компьютеру, квантовый не сможет полностью его заменить. «Сейчас изучается вариант создания универсального квантового компьютера – к этому потенциально ведет полупроводниковая ветвь разработок, выбранная Intel, – рассказывает Федоров. – Теоретических барьеров нет, все зависит от амбиций разработчика. Хотя более вероятным выглядит использование гибридной модели: загружаем в квантовый компьютер заточенную под его алгоритм задачу, получаем ответ и дальше продолжаем работу на классическом компьютере». Как показывает история инноваций, новые технологии не вытесняют старые, а дополняют их, напоминает Евгений Кузнецов. «Скорее всего, будет наблюдаться синергия: задачи, которые лучше всего решаются на квантовом компьютере, переместятся туда, а другие останутся на классических компьютерах».

При этом по производительности квантовые компьютеры обгоняют традиционные буквально на наших глазах: этот психологически важный рубеж называют «квантовым превосходством». Еще в прошлом году ученые произвели на построенных симуляторах расчеты, недоступные для обычных ПК. А новейший 72‑кубитный процессор от Google, по заявлению компании, окончательно закрепит «квантовое превосходство». «Достижение этого рубежа для многих выглядит формальным «изобретением» квантового компьютера, – комментирует Федоров. – Хотя Google еще нужно предъявить задачу, на которой их заявления будут доказаны. Пока этого не сделано. Так или иначе, достижение превосходства – вопрос этого или следующего года, сейчас сюда направлены основные усилия».

В любом случае технологический мир может вздохнуть спокойно: закон Мура (удвоение производительности процессора каждые два года), скорее всего, будет продолжен. За последние 40 лет в соответствии с этой закономерностью число транзисторов на процессорах возросло с двух тысяч до 1,3 млрд. Сейчас размер транзистора составляет всего несколько атомов, и дальнейшее уменьшение дается все труднее (по разным прогнозам, теоретический минимум будет достигнут в начале 2020‑х годов). При этом современные суперкомпьютеры по-прежнему не годятся для решения многих задач. «Идея квантовых компьютеров была сформулирована почти 40 лет назад, но тогда они казались не такой уж нужной вещью – казалось, что у классического компьютера необъятный потенциал. Но сегодня мы его почти исчерпали. Так что квантовые компьютеры подоспели вовремя», – отмечает Федоров.

Гонка соображений

Параллельно с развитием квантового «железа» происходит другой эпохальный процесс – открытие публичного доступа к компьютерам. Уже пару лет каждый может воспользоваться 5‑кубитной моделью Q Experience от IBM: достаточно зайти на сайт проекта, подключиться к компьютеру через облачную связь и запустить на нем свой алгоритм. Этой возможностью воспользовались десятки тысяч программистов‑любителей со всего мира. Также компания разработала 20‑кубитную версию для корпоративных клиентов (Daimler, Honda, Samsung, JP Morgan Chase). Аналогичные проекты вынашивает Google.

«Эти на первый взгляд альтруистические шаги выгодны самим разработчикам, – объясняет Иван Храпач. – Ученые нацелены на создание универсального вычислительного устройства и не видят всего спектра возможных применений. Обратная связь от пользователей весьма кстати. Компании узнают, какие алгоритмы интересуют людей, где компьютер сработал удачнее. Оказалось, что интересных задач для компьютера можно придумать много, и даже такое «игрушечное» устройство будет весьма полезным. Выход квантовых компьютеров на рынок – это ведь не вопрос достижения некоего числа кубитов или иного технического параметра. Важнее понять, зачем они вообще обществу, будет ли оправданно производство. А для этого нужно сформировать вокруг продукта клиентскую среду».

«Коммерциализация технологий не происходит в один момент, они внедряются в бизнес постепенно. Такая же ситуация была на заре компьютерной эры, в 1960‑х годах, – напоминает Федоров. – Поначалу было непонятно, кому нужны компьютеры. Но люди придумывали для них разные задачи, и в какой-то момент изобретение стало массовым. С квантовым компьютером аналогичный процесс уже запущен».

По оценке Market Research Future, рынок квантовых компьютеров (включая комплектующие, квантовое ПО и сервисы на его основе) в ближайшие годы будет расти на 24% ежегодно, достигнув к 2022‑му $2,5 млрд. Уже сегодня компания D‑Wave Systems поставляет вычислительные машины с «квантовым ускорением» крупным корпоративным клиентам (Google, Lockheed Martin, NASA) по цене $10–15 млн за штуку (правда, некоторые эксперты считают их условно-квантовыми).

Если же говорить о разработках, которые могут поступить на рынок в ближайшие годы, то соперничество ожидается жестокое. Google, IBM, Intel и Microsoft вложили в свои проекты, по разным оценкам, до $500 млн. Наравне с ними в квантовой гонке участвуют стартапы (Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits), создающиеся на базе университетов и пользующиеся все большим вниманием инвесторов (в прошлом году Quantum Circuits привлек $18 млн).

Кроме того, в США, Евросоюзе, Японии и Китае действуют правительственные квантовые программы. Так, в начале марта сообщалось, что китайские власти поставили цель создать национальный 50‑кубитный компьютер к 2022 году. Всего же в мире число патентов по квантовым вычислениям выросло вчетверо в 2014–2017 годах. Лидируют США с 800 патентами в 2017 году, по 200 патентов у Японии и Китая (данные Thomson Innovation Database).

Кто станет локомотивом квантовой гонки? «У стартапов лучше получается запускать решения за счет гибкости и креативности, – рассуждает Евгений Кузнецов. – У крупных же корпораций больше ресурсов для подбора разработчиков, но при этом их корпоративная система управления тяжеловесна. Сегодня проблемы квантовых компьютеров носят фундаментальный характер, поэтому плюсы и минусы этих игроков уравновешены. Когда же теоретические вопросы будут решены, начнется период спин-оффов: от корпораций и университетов будут отпочковываться новые компании, специализирующиеся на отдельных технических решениях. Иными словами, квантовые компьютеры выйдут на рынок не под вывеской Google, Intel или MIT, а под самостоятельными, созданными с нуля брендами. Как в свое время ARM, созданный как спин-офф Кембриджского университета, вытеснил Intel с рынка мобильных технологий».

«На квантовом рынке появляются разные ниши, и задачи найдутся для всех, – добавляет Иван Храпач. – Сейчас в индустрии продуктивный этап: у разработчиков секретов нет, мы работаем максимально открыто. Это облегчает приток новых игроков. Но уже скоро компьютер превратится из физической задачи в инженерную, начнется конкуренция, и открытость исчезнет».

Участвует в квантовой гонке и Россия, хотя с заметным отставанием от ведущих стран. В 2011 году на базе наукограда «Сколково» был создан Российский квантовый центр. В 2016 году он привлек 400 млн рублей от Газпромбанка и демонстрировал на профильных конференциях отдельные разработки, но не компьютер целиком. Скоро у центра появится конкурент: в начале марта стало известно о формировании консорциума с целью построения 50‑кубитного компьютера за пять лет. Соглашение об этом подписали МГУ, Внешэкономбанк, «ВЭБ-инновации», Фонд перспективных исследований и АНО «Цифровая экономика». Ожидается, что инвестиции в проект составят 900 млн рублей.

«Масштаб вложений в квантовые вычисления у нас небольшой, на всю страну он сравним с одним-двумя американскими стартапами, – сетует Алексей Федоров. – В этих условиях шанс догнать лидеров появится, только если Россия предложит какую-то оригинальную идею. Также остается вариант соперничать не в «железе», а в создании квантового ПО, алгоритмов». По словам Евгения Кузнецова, преимуществом России в квантовой гонке станет сильная физико-математическая школа и возможность рекрутировать таланты дешевле, чем в США. Минусом же является российская неповоротливость в организационных делах.

Полный расчет

Где квантовый компьютер может найти применение? Самый распространенный ответ почти дословно цитирует идею Ричарда Фейнмана 40‑летней давности: «симулировать физику». Благодаря ускоренному моделированию биологических процессов квантовые вычислители будут полезны в химической промышленности, фармацевтике и разработке новых материалов.

Также перспективными выглядят квантовые вычисления в космонавтике. «Сейчас мы собираем много данных о космосе, но анализируем ничтожную их часть, – говорит Алексей Федоров. – Квантовый компьютер поможет ее увеличить – в идеале до 100%, что приведет к качественному сдвигу в понимании космоса. Вполне возможно, с его помощью удастся найти другие пригодные для жизни планеты или следы внеземных цивилизаций. Когда же дело дойдет до колонизации космоса, квантовые компьютеры будут полезны в создании максимально прочных, но легких материалов, а также новых видов топлива для космических кораблей».

Но все известные на сегодня варианты не исчерпывают потенциальных преимуществ квантовых компьютеров. Как отмечают эксперты, многие направления попросту нельзя спрогнозировать, потому что сами они будут созданы благодаря массовому внедрению квантовых вычислений. «Главное – создать квантовую инфраструктуру, а она уже сформирует вокруг себя новые отрасли, рынки, – подчеркивает Кузнецов. – Вокруг традиционных ПК возникла сегодняшняя цифровая экономика, о которой в середине XX века никто не помышлял. Квантовые вычислители, в свою очередь, перенесут нас в какой-то другой мир».

Отдельный вопрос – останутся ли квантовые компьютеры промышленными машинами или найдут себе место на письменном столе или в кармане каждого пользователя. «Полвека назад считалось, что в мире есть рынок примерно для пяти огромных компьютеров. Время рассудило иначе, – размышляет Федоров. – Так же и с квантовым компьютером: сейчас его производство для персональных целей выглядит нерентабельным, но через 20–30 лет все может измениться. Габариты же будут сокращены и того раньше. Ведь уменьшать надо будет не чипы, а инфраструктуру, которая их поддерживает, а это ясная инженерная задача, просто сейчас она не в приоритете. Пока квантовые вычислители стоят в лабораториях, не так важно, сколько места они занимают. Другое дело, если сформируется коммерческий интерес. С любой технологией производитель сперва добивается производительности, а потом переходит к упрощению интерфейса».

Прощай, приватность

Есть в грядущей квантовой эре и вопросы, вызывающие тревогу. Простейший алгоритм Шора – настоящая бомба под сегодняшнюю систему информационной безопасности. Большинство шифров (пароли, PIN-коды, блокчейн-ключи) спроектированы с учетом того, что традиционный компьютер не сможет разложить многозначное число на простые множители – потребуется перебрать слишком много вариантов. Квантовый же компьютер справится с задачей играючи. А значит, ни о какой секретности в будущем помышлять не приходится. Сегодня инженеры разрабатывают постквантовую криптографию – шифры, которые окажутся не по зубам квантовому компьютеру. Но успеют ли они в срок – вопрос открытый.

«Защищенность персональных, банковских данных, не говоря уже о государственных тайнах, может растаять как дым, – предупреждает Евгений Кузнецов. – Это серьезный вызов! Вряд ли человечество готово к тотальному рассекречиванию. Цивилизация в значительной степени держится на умолчании больных вопросов, скрытых договоренностях. Вспомните, какие скандалы бушевали из-за публикации Панамского досье. А ведь оно обрабатывалось вручную и не сопоставлялось с другой информацией. Что было бы, если бы искусственный интеллект провел сопоставление в огромном количестве комбинаций и связей? Частная собственность тоже нуждается в тайне. Вы же запираете дверь в квартиру, когда уходите? Кризис секретности в ближайшие 10–15 лет приведет к драматичным последствиям – экономическим войнам, кибершпионажу, социальным потрясениям. Близится жестокая трансформация».

Зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность скачивания номеров

Войти через VK Войти через Google Войти через OK