Существуют ли квантовые компьютеры на самом деле?

Просто: В СМИ опять поднялась шумиха про квантовые компьютеры будущего.

Сложнее: В Google объявили, что принадлежащий компании квантовый компьютер D-Wave решил поставленную задачу в 100 миллионов раз быстрее, чем обычный компьютер. Эта новость стала поводом для нового обсуждения одного из самых ожидаемых технологических прорывов. Разработку настоящего квантового компьютера можно сравнить с мечтой о лекарстве от рака или болезни Альцгеймера, термоядерной энергии и колонизации Марса. «Медуза» попросила научного журналиста Сергея Немалевича объяснить, существуют ли уже настоящие квантовые компьютеры и чем они лучше обычных. 

Просто: Потому что они очень быстрые.

Сложнее: В не очень далеком будущем квантовые компьютеры могут стать необходимостью. Потребности человечества в производительности компьютерных процессоров уже сейчас обгоняют развитие классической электроники. Есть знаменитый закон Мура, описывающий скорость роста производительности процессоров: число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года. Сейчас этот закон уже не совсем выполняется — число транзисторов удваивается раз в 2,5 года. Так или иначе, производительность традиционных процессоров не может расти до бесконечности. Никто не знает, когда понадобится качественный скачок, но рано или поздно он обязательно понадобится. И создание квантового компьютера, способного решать некоторые важные вычислительные задачи гораздо быстрее обычного, — одно из возможных направлений развития. 

Просто: В обычных информация хранится в битах — нулях или единицах, а в квантовых — в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу. Благодаря этому теоретически квантовый компьютер может работать быстрее.

Сложнее: Как понятно из названия, квантовый компьютер использует феномены квантовой механики. В микромире, живущем по законам квантовой механики, возможны явления, немыслимые в привычном нам макромире. Например, частица может находиться в суперпозиции — сразу в двух состояниях. Есть популярная метафора: представьте подброшенную в воздух монету, которая одновременно и орел, и решка. Грубо говоря, примерно так же устроена работа кубита — основной единицы хранения информации в квантовом компьютере. 

Другой эффект называется квантовой зацепленностью: состояния двух частиц могут быть взаимосвязаны и меняться одновременно, даже если эти частицы находятся в разных уголках галактики. Благодаря квантовой зацепленности кубиты можно собирать в связанные между собой наборы. Если набор из N классических бит хранит последовательность из N нулей и единиц, то в регистре из N кубит записано несравнимо больше информации — суперпозиция всех возможных последовательностей из N нулей и единиц.

Поймав монету, мы видим, что она выпала либо орлом, либо решкой — вероятность 50 на 50. Так же, измеряя состояние кубита, мы получим ноль, либо один; только — в отличие от монеты — вероятности получения каждого из двух значений не равны. Вот эти вероятности и «записаны» в суперпозиции. А если измерить значение квантового регистра, получится только одна последовательность нулей и единиц, но, опять же, с некоторой вероятностью, которая — в виде коэффициента — хранилась в исходном квантовом состоянии.

Квантовая ячейка памяти содержит не конкретную единицу информации, а набор вероятностей получения любой возможной единицы информации при измерении. И если классический процессор за один такт изменяет последовательность из N нулей и единиц, то квантовый процессор изменяет набор из 2 в степени N вероятностей — в сущности, совершая экспоненциально больше работы. Это свойство называется квантовым параллелизмом, и теоретически квантовый процессор может работать экспоненциально быстрее классического. 

Просто: Не особо.

Сложнее: На самом деле, почти никогда не получается. Во-первых, квантовые вычисления не дают абсолютно точного решения задачи — ответ оказывается правильным только с некоторой вероятностью, и коррекция возможной ошибки отнимает дополнительные вычислительные ресурсы. Во-вторых, когда имеешь дело не с понятными нулями и единицами, а с их громоздкими суперпозициями, приходится исхитряться, даже чтобы реализовать простейшие логические операции. Построение квантовых алгоритмов — теоретическая область, развивающаяся параллельно с попытками инженеров создать для них квантовые компьютеры. Успехов в этом направлении достигнуто больше, в частности, известно, что любой классический алгоритм можно перепрограммировать в квантовый, но число квантовых алгоритмов, которые будут заведомо работать намного быстрее классических (то есть возникнет «квантовое ускорение»), относительно невелико. Самые известные из них — алгоритм Гровера для решения задачи перебора и алгоритм Шора, позволяющий раскладывать число на сомножители. 

Просто: Да, но такие простые, что их квантовость не дает никаких преимуществ. 

Сложнее: Квантовых компьютеров, которые способны решать любую задачу, пока не существует. Большинство исследований сейчас направлено не столько на построение действующих квантовых компьютеров, сколько на отработку базовых технологий, в первую очередь — создания кубитов. Время от времени на регистрах из нескольких кубитов запускаются какие-нибудь квантовые алгоритмы и решаются простенькие задачи, вроде разложения числа 143 на простые множители или осуществления перебора из четырех вариантов. Поскольку базовых проблем остается еще очень много, создавать системы больше, чем из пары десятков кубитов, не имеет особого смысла, а у устройств с меньшим количеством кубитов нет заметных преимуществ перед классическими компьютерами. Особняком здесь стоят устройства канадской компании D-Wave, последнее из которых — с 1152 кубитами внутри — наделало недавно столько шума.

Просто: Квантовые системы очень чувствительны: чуть что, они лишаются своего квантового волшебства, а заодно и всех полезных свойств.

Сложнее: Любое «наблюдение» или «измерение», а в сущности, почти любой контакт с внешней средой приводит к тому, что квантовая система становится классической, это явление называется декогеренцией. Представьте подброшенную монетку, которая от столкновения с любой молекулой воздуха или даже от случайно упавшего на нее взгляда немедленно выпадает орлом или решкой. А уж если в системе несколько запутанных кубит, удержать их от декогеренции еще сложнее — это иногда сравнивают с попыткой поставить множество карандашей вертикально на кончики остро отточенных грифелей. Качественная изоляция квантовой системы от внешней среды — не только инженерно сложная, но и дорогостоящая задача. Даже первые прототипы квантовых вычислителей с несколькими кубитами по размерам напоминают компьютеры середины прошлого века и стоят миллионы долларов. Сейчас разрабатывается несколько конкурирующих технологий реализации кубитов, и самая главная задача — как можно дольше удержать их от декогеренции. 

Просто: Да, они продвинулись дальше других, но в основном в области маркетинга — хорошо продают свои продукты. 

Сложнее: Не особо. Канадская компания D-Wave имеет удивительную историю. В 1999 году физик-инженер и чемпион мира по борьбе джиу-джитсу Джорди Роуз прочитал популярную книгу про квантовые вычисления и увлекся этой идеей. О практической реализации квантовых компьютеров тогда еще мало кто помышлял, но Роуз умудрился привлечь финансирование на создание прототипа квантового вычислителя — не имея ни ноу-хау, ни технологий. Почти все разработки D-Wave вела чужими руками, зато каждый созданный прототип упаковывался в черную коробку (точнее — шкаф) с красивым логотипом, который потом громко представляли на рынке как действующий квантовый компьютер. Научное сообщество морщилось, однако коммерческие гиганты, в том числе Lockheed Martin и Google, устройства D-Wave покупали, не жалея десятков миллионов долларов — на всякий случай. Споры о том, что именно находится в черных ящиках с логотипом D-Wave — и можно ли это назвать квантовым компьютером, не утихают до сих пор.

Просто: Легче сказать, чем они похожи — в них есть кубиты и их почему-то называют квантовыми компьютерами. В остальном почти ничего общего.

Сложнее: Хотя в этих устройствах тоже есть кубиты, они выстроены в специфическую прихотливую архитектуру. В сущности, D-Wave умеет решать одну-единственную оптимизационную задачу, которая соответствует естественной эволюции лежащей в ее основе квантовой системы. Машину нельзя непосредственно заставить сложить два числа, выполнить простейшую логическую операцию, на ней нельзя запустить квантовый алгоритм Шора. Все, что она умеет делать — симулировать саму себя, как если бы для решения задачки из школьного учебника про движение двух поездов навстречу друг другу использовалась система, состоящая их двух настоящих поездов и секундомера. Любопытно, что долго никто не мог даже доказать, что работа D-Wave действительно использует явления квантового мира. Убедиться в этом воочию невозможно (как уже говорилось, квантовые эффекты нельзя наблюдать — они сразу становятся классическими), так что единственный способ — удостовериться, что устройство способно сделать то, на что не способны классические системы, например, работать намного быстрее них. И именно это наконец удалось сделать исследователям из Google.

Просто: Правда. Как и то, что улитка доползет до соседней комнаты быстрее вас, если вы решите попутно обогнуть экватор.

Сложнее: Это правда, но только если сравнивать работу D-Wave с работой классического алгоритма, имитирующего то, что происходит внутри D-Wave по обычным физическим законам. Возвращаясь к примеру с задачкой про поезда, такой алгоритм бы буквально моделировал движение двух поездов, всякий раз проверяя, не встретились ли они. Разумеется, есть способ решить ту же задачу проще и быстрее — подставив нужные значения переменных в несложную формулу. Так же и с D-Wave: машина решила задачу поиска минимума с помощью так называемого квантового отжига, команда Google сравнила результат с работой алгоритма имитации квантового отжига, и да — получилось в сто миллионов раз быстрее. Но для того же вычисления есть другой классический алгоритм Селби, который выполняет его быстрее, чем D-Wave. Об этом, кстати, прямо говорится в статье специалистов Google. Другими словами, D-Wave работает быстрее, когда решает одну узкоспециальную задачу и только если сравнивать ее с работой одного неоптимального классического алгоритма. С практической точки зрения, никакого смысла в этом нет, вожделенного квантового ускорения тоже не наблюдается.

Просто: Нет. Скорее Google убедился, что не надули его.

Сложнее: Отнюдь, все эти подробности явно описаны в статье. Если кто-то кого-то и надул, то это журналисты, поспешившие сообщить о технологической революции. А Google нужно было убедиться, что купленная ими машина хотя бы и впрямь является квантовой — для этого нужно было сравнить скорость ее работы именно с неоптимальной классической имитацией квантового отжига. Теперь никто не сомневается, что в работе D-Wave участвует квантовое явление, а если точнее — так называемый туннельный эффект. Но никто не сомневается, что системе D-Wave не суждено совершить настоящую революцию в квантовых вычислениях — она слишком специфически устроена, ее преимущества очень редко проявляются, с ней не работают уже придуманные квантовые алгоритмы. Скорее всего, по-настоящему большие новости придут не со стороны канадского стартапа, а от одной из сильных академических лабораторий, например, под руководством Джона Мартиниза в университете Санта-Барбары или Криса Монро в университете Мэриленда.

Автор: Сергей Немалевич