Квантовые компьютеры, или как кот Шрёдингера изменит всё - от медицины до промышленности

Мы живём в эпоху больших данных, и мощностей «обычных» суперкомпьютеров, как бы странно это ни звучало, уже не хватает. Следующим шагом информационной эволюции человечества должны стать квантовые компьютеры. Что позволит ворваться в завтрашний день? Принципиально иная технология вычислений. Традиционные компьютеры используют биты, двоичный код. Квантовые построены на кубитах — здесь уже действуют принципы квантовой механики, а не математики. Бит способен лишь на ноль или единицу, математическое «нет» или «да», чёрное или белое. Кубит отражает сразу целый спектр состояний, что гораздо ближе к физике и химии, к живой природе. Обычный компьютер всего лишь последовательно перебирает варианты, квантовый — одновременно рассматривает принципиально разные пути решения проблемы. Это — мир новых возможностей.

В квантовой механике понятие суперпозиции подразумевает существование сверхмалых частиц во взаимоисключающих состояниях. Таким образом, квантовый компьютер способен учитывать фактор неопределённости, в то время как бинарной системе нужно только чёткое «да» или столь же решительное «нет». На практике это означает следующее. Допустим, крупная фармацевтическая компания создаёт средство, способное захватить мировой рынок — например, вакцину от нового вируса. Для этого нужно рассчитать множество вариантов взаимодействий на молекулярном уровне. Как уже было сказано, это физика и химия, и у современных «математических» суперкомпьютеров на такие расчёты уходят как минимум месяцы, а то и годы. Квантовые компьютеры будут справляться с этим за считанные часы.

Но фармацевтикой дело не ограничится, ведь фактор неопределённости царит в нашем мире, а описывать её нулями и единицами крайне сложно. Пример: компания Q-CTRL совместно с Департаментом транспорта Австралии осуществляет амбициозный проект в сфере оптимизации пассажироперевозок. Конечная цель — создание единого портала, на котором можно будет купить билет на любой указанный пользователем маршрут, даже если он будет одновременно включать в себя поезд, паром, автобус, каршеринг и любой другой вид транспорта. Системе придётся учитывать бесконечное количество самых разных факторов — от изменений в местных расписаниях до колебаний цен на топливо — но именно для таких задач и создаются квантовые компьютеры.

Кстати, к проекту уже присматриваются Вооружённые силы Австралии, задумавшиеся об оптимизации логистических цепочек. Исходя из этого можно предположить, что скоро квантовые компьютеры станут объектом пристального внимания со стороны властей крупнейших государств мира, но мы лучше порассуждаем о мирных путях применения новых технологий.

Ключевые игроки на рынке — Google, Amazon, IBM, Microsoft и ряд крупных IT-компаний Китая. Все они соревнуются за то, чтобы первым достичь так называемого «квантового превосходства». Под этим понятием учёные подразумевают первый случай явного превосходства квантового компьютера над традиционным в той или иной конкретной задаче. Здесь, конечно, следует учитывать фактор корпоративного соперничества. Например, Google ещё в 2019-м заявил о том, что добился желаемого, но конкуренты достижение не засчитали: речь шла об абстрактных вычислениях, а не о конкретной задаче.

Тем не менее, научное сообщество сходится во мнении: эта технология в целом движется вперёд. Квантовые компьютеры из научной фантастики 70-х годов прошлого века уже превратились в объективную реальность — пускай это и первые образцы, а не то, чем они должны стать через 10 — 15 лет. Кстати, касательно сроков: есть и куда более оптимистичные прогнозы.

Существует в мире человека одна крайне важная сфера, которой формально управляют макроэкономические закономерности, а фактически там правит бал хаос и неопределённость — это фондовый рынок. По оценкам Goldman Sachs, крупнейшего инвестбанка США, уже через 5 лет квантовые компьютеры научатся предсказывать рыночные колебания. Конечно, не с точностью магического хрустального шара, но оперативные вычисления с таким количеством неизвестных сегодняшним суперкомпьютерам недоступны, поэтому уже можно будет говорить об относительно реалистичных прогнозах. Заявление сделано не просто так: банк ведёт соответствующие исследования совместно со стартапом QC Ware.

Ещё одна перспективная область применения квантовых компьютеров — энергоёмкие элементы питания. Следовательно, электромобили, умные дома и прочие современные инженерные решения. В ходе трёхстороннего проекта IBM, Cambridge Quantum Computing и германского Аэрокосмического центра будет создаваться принципиально новое программное обеспечение для моделирования аккумуляторных батарей. Здесь плюсы квантовых вычислений примерно те же, что в медицине: появится возможность просчитать сложнейшие физико-химические связи между компонентами аккумулятора, что на обычном суперкомпьютере сделать в сотни раз сложнее.

Конечно, следует понимать, что квантовые компьютеры дня сегодняшнего ещё очень далеки от совершенства. В том же Goldman Sachs и QC Ware говорят, что и через 5 лет мощности будут оставлять желать лучшего, и это вынудит просчитывать и комбинировать несколько упрощённых моделей вместо единой комплексной. Одна из основных проблем хорошо знакома физикам-экспериментаторам, исследующим мир сверхмалых частиц: это помехи, так называемый «шум».

Современные квантовые компьютеры помещают в вакуум при абсолютном нуле, сопоставимом с открытым космосом — и даже в таких «тепличных» условиях невозможно полностью избавиться от помех, а следовательно и от небольших погрешностей. Тем не менее, наука не стоит на месте, и на данный момент предложено как минимум два альтернативных способа квантовых вычислений. Amazon собирается использовать пьезоэлектрические наноструктуры в качестве осцилляторов. Благодаря своим исчезающе малым размерам, они могут быть одновременно включенными и выключенными — «в состоянии кота», как это называют инженеры самой компании, ссылаясь на знаменитый мыслительный эксперимент Шрёдингера.

Ещё более смелое предложение родилось в ходе совместного эксперимента университетов Китая, Великобритании и ЮАР. Учёные предложили использовать лазер и систему зеркал — в наномасштабах, разумеется. Вариантов преломления светового потока может быть куда больше двух, что позволит вести квантовые вычисления.

Сегодня общепринятой считается следующая точка зрения: домашнего квантового компьютера не будет никогда. Однако вспомните времена Алана Тьюринга: тогда уважающая себя вычислительная машина должна была занимать не менее одного спортзала. А сегодня у каждого из нас в кармане математической мощности больше, чем при запуске космического корабля «Аполлон». Стартап IonQ, оценённый при выходе на биржу в 2 миллиарда долларов, заявил о том, что в течении нескольких лет выпустит доступный квантовый компьютер размером с игровую приставку. Так что не исключено, что в обозримой перспективе можно будет претендовать на помощника в бизнесе и развлечениях, который не только считает, как прилежный бухгалтер, но мыслит, предполагает и не боится неизведанного — как Леонардо да Винчи.