2 марта 2018

Квантовые компьютеры смогут моделировать поведение материи на атомном уровне

В небольшой лаборатории в пышной сельской местности в сотне километров к северу от Нью-Йорка с потолка свисает сложная путаница трубок и электроники. Это компьютер, пусть и беспорядочный на вид. И это не самый обычный компьютер. Возможно, на его роду написано стать одним из важнейших в истории. Квантовые компьютеры обещают производить вычисления далеко за пределами досягаемости любого обычного суперкомпьютера. Они могут произвести революции в сфере создания новых материалов, позволив имитировать поведение материи вплоть до атомного уровня. Они могут вывести криптографию и компьютерную безопасность на новый уровень, взламывая доныне неприступные коды. Есть даже надежда, что они выведут искусственный интеллект на новый уровень, помогут ему более эффективно просеивать и перерабатывать данные.

И только сейчас, спустя десятилетия постепенного прогресса, ученые, наконец, приблизились к созданию квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы делать то, что обычные компьютеры делать не могут. Этот ориентир красиво называют «квантовым превосходством». Движение к этому ориентиру возглавляет Google, за ним следуют Intel и Microsoft. Среди них — хорошо финансируемые стартапы: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits и другие.

И все же никто не может сравниться с IBM в этой области. Еще 50 лет назад компания добилась успехов в области материаловедения, которая заложила основы для компьютерной революции. Поэтому в прошлом октябре MIT Technology Review отправились в Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM, чтобы ответить на вопрос: в чем квантовый компьютер будет хорош? Можно ли построить практический, надежный квантовый компьютер?

Этот исследовательский центр, расположенный в Йорктаун-Хайтс, был спроектирован архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построен во время расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM была крупнейшей компьютерной компанией в мире, и за десять лет строительства исследовательского центра она стала пятой крупнейшей компанией в мире, сразу после Ford и General Electric.

Когда Чарльз Беннетт присоединился к IBM в 1972 году, квантовой физике уже было полвека, но вычисления все еще полагались на классическую физику и математическую теорию информацию, которую Клод Шеннон разработал в MIT в 1950-х годах. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин он популяризовал, но не изобрел), необходимых для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, легли в основу традиционных вычислений.

Спустя год после прибытия в Йорктаун-Хайтс Беннетт помог заложить основу для теории квантовой информации, которая бросила вызов предыдущей. Она использует причудливое поведение объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица может существовать в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций) одновременно. Две частицы также могут «запутываться», так что изменение состояния одной мгновенно отзывается на второй.

Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, которые занимают слишком много времени или вообще невозможны, можно было бы эффективно проводить при помощи квантовых явлений. Квантовый компьютер хранит информацию в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в огромном числе состояний. Сравнивать квантовые и классические компьютеры не совсем правильно, но, выражаясь фигурально, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов может производить больше вычислений одновременно, чем атомов в известной вселенной.

Летом 1981 года IBM и MIT организовали знаковое мероприятие под названием «Первая конференция по физике вычислений». Оно проходило в отеле Endicott House, особняке во французском стиле недалеко от кампуса MIT.

«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».

Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.

Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.

В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.

В 2016 году IBM соединила небольшой квантовый компьютер с облаком. Используя инструмент для программирования QISKit, вы можете запускать простейшие программы; тысячи людей, от академиков до школьников, уже создавали программы на QISKit, которые обрабатывают простые квантовые алгоритмы. Теперь Google и другие компании также пытаются вывести квантовые компьютеры в онлайн. Они не способны на многое, но дают людям возможность прочувствовать, что такое квантовые вычисления.