Квантовый компьютер D-Wave. Иллюстрация: dwavesys.com
Пятнадцать – это пятью три. Пять лет назад, в августе 2012 года, это вычисление стало горячей научной новостью. Тогда разложить число 15 на множители было потолком практических возможностей для квантового компьютера, революционной вычислительной машины, которая работает принципиально иначе, чем все наши ноутбуки, смартфоны и даже распределенные кластеры в дата-центрах.
С тех пор кое-что изменилось. В конце ноября в научном журнале Nature две конкурирующие группы ученых (обе из США) напечатали одновременно очень похожие статьи. Такое бывает, когда намечается большое открытие и опоздать с публикацией на неделю – значит проиграть. Конкуренты независимо друг от друга собрали системы из 51 и 53 кубит, способные решать каждый свою, довольно узкую и специальную задачу математической физики. И теперь про оба исследования пишут (с оговорками), что ученые подобрались к порогу, за которым начинается «квантовое превосходство»: квантовые компьютеры умеют или скорее вот-вот будут уметь нечто такое, что самым мощным традиционным суперкомпьютерам не по силам.
«В научном сообществе это воспринимается как очень-очень существенный шаг вперед», – подтверждает физик-теоретик Алексей Федоров из Российского квантового центра. Весной этого года он выступил с лекцией «Квантовый компьютер: большая игра на повышение» на конференции про большие данные и науку, где говорил, что «квантовое превосходство» – дело близкого будущего, до публикаций в Nature оставалось несколько месяцев.
Почему эти разговоры стали возможны именно сейчас? Казалось бы, канадская фирма D-Wave делает свои квантовые компьютеры с 2007 года, среди их владельцев – Google и NASA. За $15 млн можно купить последнюю версию системы, солидный черный куб размером с трансформаторную будку, 3 на 3 на 3 метра. И у него целых две тысячи кубит – откуда тогда столько шума вокруг экспериментов с 51 и 53 кубитами? Republic попросил Алексея Федорова объяснить, что к чему.
Как работает квантовый компьютер?
В обычных компьютерах минимальная единица информации – это бит: ноль или один, орел или решка. В квантовых компьютерах и бит квантовый (он же – кубит, quantum bit). Для него придумано много аналогий: это и кот Шредингера, который одновременно жив и мертв, и монета, выпадающая одновременно орлом и решкой вверх. Говоря более привычным для физиков языком, кубит несет в себе смесь чистых квантовых состояний. А смеси бывают самыми разными. Одно дело – две трети орла и треть решки, и совсем другое – смесь в пропорции один к одному. Вариантов бесконечно больше, чем просто «есть – нет», единица или ноль.
Интриги добавляет явление квантовой запутанности. Берем две квантовые частицы и разносим по разным концам Вселенной, но то, что случится с первой, будет влиять на вторую, какое бы расстояние их ни разделяло. Состояния кубитов можно «запутывать» – и тогда начинается самое интересное.
Что представляет собой кубит на практике? Это абстрактная идея, которую можно воплотить в жизнь разными способами, как и в случае с простыми битами (скажем, в пятидесятые оперативная память обычных компьютеров представляла собой магнитные кольца на проволочках: одно кольцо – один бит; сейчас все, разумеется, иначе).
Самая известная реализация кубитов (ее использует компания D-Wave) – крошечные сверхпроводящие микросхемы, которые приходится охлаждать жидким гелием. Компьютер на 53 кубитах, описанный в Nature, который сделала группа Кристофера Монро из университета Мэриленда, – это отдельные ионизованные атомы в магнитных ловушках. А их конкуренты из Гарварда во главе с Михаилом Лукиным управляли ультрахолодными атомами при помощи «оптического пинцета»: роль ловушки исполняли лазерные лучи. Во всех случаях ученые вынуждены добиваться температур, отличающихся от абсолютного нуля на сотые или даже тысячные доли градуса: D-Wave у себя на сайте пишет, что их кубиты «в 180 раз холоднее межзвездного пространства».
«Пока у научного сообщества нет единого понимания, какая платформа будет лидирующей. Потому что сейчас и сверхпроводники, и атомы, и ионы фактически находятся на одной технологической стадии», – говорит Алексей Федоров.
