Человечество в 78 кубитах. В какие игры сыграет Пентагон с квантовым компьютером

На юго-востоке Англии есть небольшое графство Восточный Сассекс. А в нем возле города Брайтона на берегу Ла-Манша расположен Университет Сассекса, известный тем, что там начинали свою научную карьеру пять нобелевских лауреатов. В скором времени он может прославиться как центр новой научной революции. Именно там международная команда ученых намерена возвести вычислительное устройство, которое по своим возможностям в миллиарды раз превзойдет любой компьютер, имеющийся на Земле сейчас.

Инициатором проекта стала созданная в Университете Сассекса более 10 лет назад группа ионно-квантовой технологии во главе с профессором Винфридом Хензингером. К разработке присоединились датские ученые из Орхусского университета, немецкие — из Университета Зигена, японские — из Института физико-химических исследований (RIKEN) и американские — из компании Google, как же без нее.

Что это будет

О своем проекте международная команда рассказала во влиятельном журнале Science Advances. Как утверждает Университет Сассекса, это первый в мире реальный практический проект строительства крупномасштабного универсального квантового компьютера, который станет самым мощным компьютером на Земле. Он революционизирует промышленность, науку и торговлю в такой же степени, как изобретение обычных компьютеров.

Построенный компьютер способен будет "ответить на многие вопросы в науке, создавать новые жизненно необходимые лекарства, решать самые ошеломляющие научные проблемы. разгадать тайны самых дальних пределов глубочайшего космоса. а также решить некоторые проблемы, которые у обычного компьютера займут миллиарды лет вычислений", говорится в информации университета.

В течение двух лет международная команда намерена создать небольшой прототип этого компьютера. А затем настанет черед полноценного крупномасштабного устройства. Оно займет целое здание размером с футбольное поле и будет стоить более $100 млн.

Откуда деньги

Этот проект получил поддержку Национальной программы Соединенного Королевства по квантовым технологиям (UKNQTP). Великобритания первой из всех стран мира начала выделять обильное государственное финансирование на разработку квантовых технологий в целях промышленного использования. UKNQTP была основана осенью 2013 г. Канцлер казначейства Джордж Осборн объявил, что в течение пяти лет в нее будет вложено 270 млн фунтов стерлингов.

В марте 2015 г. была обнародована Национальная стратегия квантовых технологий. В ней поставлена задача "обеспечить Великобритании позицию мирового лидера на растущих многомиллиардных рынках новых квантовых технологий и существенно повысить стоимость некоторых крупнейших отраслей британской промышленности".

А в марте 2016 г. министр университетов и науки Джо Джонсон объявил о двух новых крупных инвестициях в научные и инженерные исследования в сфере квантовых технологий на общую сумму 204 млн фунтов стерлингов. "Мы привержены укреплению позиции Великобритании как мирового лидера в области науки и инноваций. Правительство обеспечивает здесь новые крупные открытия, такие как создание сверхмощных квантовых компьютеров, над которыми работают ученые, — объяснил министр щедрость правительства. — Это новое финансирование основывается на нашей защите расходов на науку, поддерживая исследования в наших ведущих университетах и помогая обучать завтрашних лидеров науки".

Ввиду этих британских амбиций совершенно неудивительно, что проект, предложенный группой из Университета Сассекса, сразу же получил зеленый свет и необходимое финансирование. "Доступность универсального квантового компьютера может оказать фундаментальное влияние на общество в целом, — подчеркивает профессор Хензингер. — Сейчас настало время перейти к практическому применению потенциала Великобритании в этой новаторской технологии. Я очень рад работать с промышленностью и правительством, чтобы это произошло".

Что мешало сделать это раньше

Разумеется, одного финансирования для успеха предприятия недостаточно. Нужна еще и работающая технология.

Идея квантовых вычислений была выдвинута более 30 лет назад. Кстати, одним из первопроходцев в этом направлении стал британский физик Дэвид Дойч из Университета Оксфорда, чья первая статья по квантовым алгоритмам вышла еще в 1985 г.

Понять разницу между обычным и квантовым компьютером можно, не углубляясь в тонкости квантовой механики. Достаточно понять, чем отличаются кубиты (квантовые единицы информации) от обычных битов. Два кубита заменяют собой два бита. Но три кубита — это уже дважды два бита, или четыре бита. А четыре кубита — это дважды дважды два, т. е. восемь битов, или один байт. 14 кубитов — это килобайт (тысяча байтов), 24 кубита — мегабайт (миллион байтов), 34 кубита — гигабайт (миллиард байтов). Приблизительно столько весит полнометражный фильм в скромном формате MPEG4 (AVI). Но продолжим добавлять кубиты. 44 кубита — это терабайт, 54 кубита — петабайт, 64 кубита — эксабайт, 74 кубита — зеттабайт. Таков был объем мирового интернет-трафика в 2016 г. 78 кубитов — это 16 зеттабайтов. Сейчас объем всей оцифрованной информации во всем мире — 10 зеттабайтов. И вся она помещается в 78 кубитах.

А один кубит — это просто какая-нибудь микрочастица (атом, ион, атомное ядро, электрон, фотон), способная находиться в двух состояниях, так что одно из этих состояний принимается за 1, а другое — за 0. И всего лишь 78 таких частиц достаточно, чтобы запомнить все, что до сих пор было записано в оцифрованном виде, включая все результаты вычислений всех компьютеров на планете.

Правда, если хочется не только фиксировать информацию, но и производить вычисления, да еще и с надежными схемами выявления и устранения ошибок, то кубитов понадобится гораздо больше. Тысячи или даже миллионы, а то и миллиарды, в зависимости от сложности задач. Но все равно игра стоит свеч.

Уже с конца 1990-х стали появляться сообщения о создании первых квантовых компьютеров с несколькими кубитами. Наиболее подходящими на роль кубитов оказались ионы (заряженные атомы). Была разработана технология удержания ионов в ловушках с помощью магнитного поля, чтобы предохранять информацию от уничтожения. Но чем больше туда добавлялось частиц, тем хуже все это работало. Наилучшего результата удалось добиться группе австрийских и канадских физиков, сообщившей в сентябре 2010 г., что она научилась удерживать вместе 14 кубитов. Вот и весь прогресс.

В чем секрет новой технологии

В 2013–2014 гг. несколько групп исследователей выдвинули свежую идею. Квантовый компьютер можно строить по модульной схеме: в каждом модуле, выполняющем функцию элементарного логического блока, удерживается небольшое число (до пяти) ионов, а модули соединены квантовыми каналами связи, например оптоволоконными.

Но такая система информационной связи между модулями оказалась слишком медлительной и к тому же очень сложной в плане технической реализации. Международная команда Хензингера изобрела другой принцип связи, основанный на передаче ионов из одного модуля в другой с помощью электрического поля. Такой подход, по словам ученых-изобретателей, увеличивает скорость соединения между отдельными модулями в 100 тыс. раз.

Впрочем, на технических подробностях останавливаться необязательно. Важно, что эта технология работоспособна и что под ней подписалась команда ученых из пяти стран, которая раскрыла свое ноу-хау в статье в открытом доступе. "Проект создания таких компьютеров был обнародован, чтобы ученые всего мира могли сотрудничать и развивать эту блестящую новаторскую технологию, а также для поощрения ее промышленной эксплуатации", — подчеркивается в сообщении Университета Сассекса.

Модульная конструкция для квантового компьютера, разработанная Хензингером и его коллегами, состоит из восьмиугольных вакуумных камер размером 4,5×4,5 м. Каждая камера содержит свыше 2,2 млн двухкубитовых модулей. Соединяя камеры, можно построить такой большой квантовый компьютер, какой пожелает пользователь.

Кстати, если команда Хензингера действительно реализует свой план строительства квантового компьютера размером с футбольное поле, то там поместятся 23×15 вакуумных камер и в них будет свыше 1,5 млрд кубитов. По оценкам изобретателей, машина нового поколения справится за секунды со столь сложными задачами и алгоритмами, что на их выполнение современным компьютерам понадобились бы миллионы лет.

Кому это интересно

Если у Хензингера и его коллег все получится и если их технология распространится по всему миру, то большие проблемы возникнут у криптологов (придется переходить на квантовые шифры) и у Нобелевского комитета. Пока будут решать, давать ли Нобелевку по физике за сам квантовый компьютер, может пойти лавина открытий, сделанных с помощью нового вычислительного устройства.

Физики на квантовом компьютере смогут моделировать те процессы, которые им сейчас не по зубам. Например, реакции термоядерного синтеза. И вдруг окажется, что проект ITER стоимостью в 20 млрд евро — пустая трата денег, поскольку найдется гораздо более дешевая и простая технология. После этого термоядерная энергетика вытеснит тепловую и атомную.

Уголь, нефть и газ останутся востребованными исключительно для нужд химии, которая расцветет и научится синтезировать самые фантастические вещества, в т. ч. неимоверно волшебные лекарства. Нобелевка по химии в 2013 г., напомним, была присуждена за компьютерное моделирование сложных химических систем. Квантовый компьютер позволит моделировать любые химические процессы. И да, если только возможно создать жизнь искусственно ("в пробирке") — она будет создана.

В той же Великобритании, кстати, государством уже лет пять или больше финансируются исследования по квантовой биологии. Эта наука пытается выяснить, в частности, не является ли психика квантовым феноменом. На квантовом компьютере можно будет пытаться моделировать и психику тоже — от самых примитивных ее проявлений до человеческого сознания.

Правда, чтобы построить квантовый компьютер с числом кубитов, равным числу нейронов в человеческом мозге, команде Хензингера придется заполнить своими вакуумными камерами поле площадью почти 50 га. Но, наверное, задачу миниатюризации этих камер тоже можно будет постепенно решать с помощью все более умных квантовых компьютеров. Зато нынешние разговоры об успехах в деле создания искусственного интеллекта будут вспоминаться как анекдот.

Пентагон вдоволь наиграется на квантовом компьютере в стратегические гибридные игры и наловчится находить нестандартные решения. Например, выкупит у России ядерное оружие в обмен на разворачивание над Москвой неуязвимого зонтика американской противоракетной обороны от Китая.

А какие фильмы будет придумывать и снимать Голливуд, обзаведшись квантовым компьютером, представить попросту невозможно. Потому что неизвестно, о чем будут мечтать и тосковать люди после всех этих перемен.

В том, что эти перемены будут, можно не сомневаться. Не получится в Университете Сассекса — выйдет где-то еще. Не через два года, так через двадцать.

И китайцы туда же

11 апреля газета China Daily сообщила, что китайские ученые начали создание квантового компьютера, превосходящего все современные суперкомпьютеры по мощности.

Президент Китайской академии наук Бай Чунли пояснил, что набор уравнений, который китайский суперкомпьютер "Тяньхэ-2" сможет решить за 100 лет, квантовый компьютер решит за сотую долю секунды. Создание китайского квантового компьютера будет осуществляться при поддержке Лаборатории квантовых вычислений, принадлежащей интернет-гиганту Alibaba. Специалисты лаборатории уверены, что смогут представить свою разработку уже в ближайшие пару лет.