Людство в 78 кубітах. В які ігри зіграє Пентагон з квантовим комп'ютером
На південно-сході Англії є невелике графство Східний Суссекс. А в ньому біля міста Брайтона на березі Ла-Маншу розташований Університет Сассекса, відомий тим, що там починали свою наукову кар'єру п'ять нобелівських лауреатів. Незабаром він може прославитися як центр нової наукової революції. Саме там міжнародна команда вчених має намір звести обчислювальний пристрій, який за своїми можливостями в мільярди разів перевершить будь-який комп'ютер, наявний на Землі зараз.
Ініціатором проекту стала створена в Університеті Сассекса більше 10 років тому група іонно-квантової технології на чолі з професором Винфридом Хензингером. До розробки долучилися датські вчені з Орхуського університету, німецькі — з Університету Зігена, японські — з Інституту фізико-хімічних досліджень (RIKEN) і американські — компанії Google, як же без неї.
Що це буде
Про своєму проекті міжнародна команда розповіла у впливовому журналі Science Advances. Як стверджує Університет Сассекса, це перший в світі реальний практичний проект будівництва великомасштабного універсального квантового комп'ютера, який стане самим потужним комп'ютером на Землі. Він революціонізує промисловість, науку і торгівлю в такій же мірі, як винахід звичайних комп'ютерів.
Побудований комп'ютер здатний буде відповісти на багато питань в науці, створювати нові життєво необхідні ліки, вирішувати самі приголомшливі наукові проблеми. розгадати таємниці найдальших меж найглибшого космосу. а також вирішити деякі проблеми, які у звичайного комп'ютера займуть мільярди років обчислень", йдеться в інформації університету.
Протягом двох років міжнародна команда має намір створити невеликий прототип цього комп'ютера. А потім настане черга повноцінного великомасштабного пристрою. Воно займе цілу будівлю розміром з футбольне поле і буде коштувати більше $100 млн.
Звідки гроші
Цей проект отримав підтримку Національної програми Сполученого Королівства з квантових технологій (UKNQTP). Великобританія першою з усіх країн світу почала виділяти щедре державне фінансування на розробку квантових технологій з метою промислового використання. UKNQTP була заснована восени 2013 р. Канцлер казначейства Джордж Осборн оголосив, що протягом п'яти років у неї буде вкладено 270 млн фунтів стерлінгів.
У березні 2015 р. була оприлюднена Національна стратегія квантових технологій. У ній поставлено завдання "забезпечити Великобританії позицію світового лідера на зростаючих багатомільярдних ринках нових квантових технологій і суттєво підвищити вартість деяких найбільших галузей британської промисловості".
А в березні 2016 р. міністр університетів і науки Джо Джонсон оголосив про двох нових великих інвестицій у наукові та інженерні дослідження у сфері квантових технологій на загальну суму 204 млн фунтів стерлінгів. "Ми прагнемо до зміцнення позиції Великобританії як світового лідера в галузі науки та інновацій. Уряд забезпечує тут нові великі відкриття, такі як створення надпотужних квантових комп'ютерів, над якими працюють учені, — пояснив міністр щедрість уряду. — Це нове фінансування грунтується на нашій захисту витрат на науку, підтримуючи дослідження в наших провідних університетах і щоб навчати завтрашніх лідерів науки".
Зважаючи на ці британських амбіцій зовсім не дивно, що проект, запропонований групою з Університету Сассекса, відразу ж отримав зелене світло і необхідне фінансування. "Доступність універсального квантового комп'ютера може надати фундаментальний вплив на суспільство в цілому, — підкреслює професор Хензингер. — Зараз настав час перейти до практичного застосування потенціалу Великобританії в цієї новаторської технології. Я дуже радий працювати з промисловістю та урядом, щоб це сталося".
Що заважало зробити це раніше
Зрозуміло, одного фінансування для успіху підприємства недостатньо. Потрібна ще і працює технологія.
Ідея квантових обчислень була висунута більше 30 років тому. До речі, одним з першопрохідців у цьому напрямку став британський фізик Девід Дойч з Університету Оксфорда, чия перша стаття з квантових алгоритмів вийшла ще в 1985 р.
Зрозуміти різницю між звичайним і квантовим комп'ютером можна, не заглиблюючись у тонкощі квантової механіки. Досить зрозуміти, чим відрізняються кубіти (квантові одиниці інформації) від звичайних бітів. Два кубіта замінюють собою два біти. Але три кубіта — це вже двічі два біти, або чотири біта. А чотири кубіта — це двічі двічі два, тобто вісім бітів, або один байт. 14 кубітів — це кілобайт (тисяча байтів), 24 кубіта — мегабайт (мільйон байтів), 34 кубіта — гігабайт (мільярд байт). Приблизно стільки важить повнометражний фільм у скромному форматі MPEG4 (AVI). Але продовжимо додавати кубіти. 44 кубіта — це терабайт, 54 кубіта — петабайт, 64 кубіта — ексабайт, 74 кубіта — зеттабайт. Такий був обсяг світового інтернет-трафіку в 2016 р. 78 кубітів — це 16 зеттабайтов. Зараз обсяг всієї оцифрованої інформації у всьому світі — 10 зеттабайтов. І вся вона поміщається в 78 кубітах.
А один кубіт — це просто яка-небудь мікрочастинка (атом, іон, атомне ядро, електрон, фотон), здатна перебувати в двох станах, так що одне з цих станів приймається за 1, а інша — за 0. І лише 78 таких частинок достатньо, щоб запам'ятати все, що досі було записано в оцифрованому вигляді, включаючи всі результати обчислень всіх комп'ютерів на планеті.
Правда, якщо хочеться не тільки фіксувати інформацію, але і робити обчислення, та ще й з надійними схемами виявлення та усунення помилок, то кубітів знадобиться набагато більше. Тисячі або навіть мільйони, а то й мільярди, в залежності від складності завдань. Але все одно гра варта свічок.
Вже з кінця 1990-х стали з'являтися повідомлення про створення перших квантових комп'ютерів з декількома кубітами. Найбільш придатними на роль кубітів виявилися іони (заряджені атоми). Була розроблена технологія утримання іонів у пастках з допомогою магнітного поля, щоб захистити інформацію від знищення. Але чим більше туди додавалося частинок, тим гірше все це працювало. Найкращого результату вдалося домогтися групі австрійських і канадських фізиків, повідомила у вересні 2010 р., що вона навчилася утримувати разом 14 кубітів. Ось і весь прогрес.
У чому секрет нової технології
У 2013-2014 рр. кілька груп дослідників висунули свіжу ідею. Квантовий комп'ютер можна будувати за модульною схемою: в кожному модулі, що виконує функцію елементарного логічного блоку, утримується невелика кількість (до п'яти) іонів, а модулі з'єднані квантовими каналами зв'язку, наприклад оптоволоконними.
Але така система інформаційного зв'язку між модулями виявилася занадто повільною і до того ж дуже складною в плані технічної реалізації. Міжнародна команда Хензингера винайшла інший принцип зв'язку, заснований на передачі іонів з одного модуля в інший за допомогою електричного поля. Такий підхід, за словами вчених-винахідників, збільшує швидкість з'єднання між окремими модулями в 100 тис. разів.
Втім, на технічних подробицях зупинятися необов'язково. Важливо, що ця технологія працездатна і що під нею підписалася команда вчених з п'яти країн, яка розкрила своє ноу-хау в статті у відкритому доступі. "Проект створення таких комп'ютерів був оприлюднений, щоб вчені всього світу могли співпрацювати та розвивати цю блискучу новаторську технологію, а також для заохочення її промислової експлуатації", — підкреслюється в повідомленні Університету Сассекса.
Модульна конструкція для квантового комп'ютера, розроблена Хензингером і його колегами, складається з восьмикутних вакуумних камер розміром 4,5×4,5 м. Кожна камера містить понад 2,2 млн двухкубитовых модулів. Поєднуючи камери, можна побудувати такий великий квантовий комп'ютер, який побажає користувач.
До речі, якщо команда Хензингера дійсно реалізує свій план будівництва квантового комп'ютера розміром з футбольне поле, то там помістяться 23×15 вакуумних камер і в них буде понад 1,5 млрд кубітів. За оцінками винахідників, машина нового покоління впорається за секунди з настільки складними завданнями і алгоритмами, що на їх виконання сучасних комп'ютерів знадобилися б мільйони років.
Кому це цікаво
Якщо у Хензингера і його колег все вийде і якщо їх технологія пошириться по всьому світу, то великі проблеми виникнуть у криптологів (доведеться переходити на квантові шифри) і в Нобелівського комітету. Поки будуть вирішувати, давати чи Нобелівку з фізики за сам квантовий комп'ютер, може піти лавина відкриттів, зроблених за допомогою нового обчислювального пристрою.
Фізики на квантовому комп'ютері зможуть моделювати ті процеси, які їм зараз не по зубах. Наприклад, реакції термоядерного синтезу. І раптом виявиться, що проект ITER вартістю 20 млрд євро — марна трата грошей, оскільки знайдеться набагато більш дешева і проста технологія. Після цього термоядерна енергетика витіснить теплову і атомну.
Вугілля, нафта і газ залишаться затребуваними виключно для потреб хімії, яка розквітне і навчиться синтезувати найфантастичніші речовини, в т. ч. неймовірно чарівні ліки. Нобелівка з хімії у 2013 р., нагадаємо, була присуджена за комп'ютерне моделювання складних хімічних систем. Квантовий комп'ютер дозволить моделювати будь-які хімічні процеси. І так, якщо тільки можливо створити життя штучно ("у пробірці") — вона буде створена.
У тій же Великобританії, до речі, державою вже років п'ять або більше фінансуються дослідження з квантової біології. Ця наука намагається з'ясувати, зокрема, чи не є психіка квантовим феноменом. На квантовому комп'ютері можна буде намагатися моделювати і психіку теж — від найпримітивніших її проявів до людської свідомості.
Правда, щоб побудувати квантовий комп'ютер з числом кубітів, рівним числу нейронів у людському мозку, команді Хензингера доведеться заповнити своїми вакуумними камерами полі площею майже 50 га. Але, напевно, завдання мініатюризації цих камер теж можна буде поступово вирішувати за допомогою все більш розумних квантових комп'ютерів. Зате нинішні розмови про успіхи в справі створення штучного інтелекту будуть згадуватися як анекдот.
Пентагон досхочу награється на квантовому комп'ютері стратегічні гібридні ігри і призвичаїться знаходити нестандартні рішення. Наприклад, викупить у Росії ядерну зброю в обмін на розгортання над Москвою невразливого парасольки американської протиракетної оборони від Китаю.
А які фільми буде придумувати і знімати Голлівуд, обзавівшись квантовим комп'ютером, уявити просто неможливо. Тому що невідомо, про що будуть мріяти і тужити люди після всіх цих змін.
У тому, що ці зміни будуть, можна не сумніватися. Не вийде в Університеті Сассекса — вийде десь ще. Не через два роки, так через двадцять.
І китайці туди ж
11 квітня газета China Daily повідомила, що китайські вчені почали створення квантового комп'ютера, що перевершує всі сучасні суперкомп'ютери по потужності.
Президент Китайської академії наук Бай Chunli пояснив, що набір рівнянь, що китайський суперкомп'ютер "Тяньхэ-2" зможе вирішити за 100 років, квантовий комп'ютер вирішить за соту частку секунди. Створення китайського квантового комп'ютера буде здійснюватися за підтримки Лабораторії квантових обчислень, що належить інтернет-гіганту Alibaba. Фахівці лабораторії впевнені, що зможуть представити свою розробку вже в найближчі пару років.
