Век квантовых компьютеров настал?

После десятилетий изнурительного труда без особых надежд на успех, вокруг квантовых вычислений внезапно развилась прямо-таки лихорадочная деятельность. Почти два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который они теперь (что звучит немного странно) называют IBM Q Experience. Тогда устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство для серьезной обработки данных. Однако в проекте зарегистрировалось 70 тысяч пользователей по всему миру, и к настоящему времени число кубитов увеличилось в четыре раза. Несколько месяцев назад IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов. Также известно, что еще один компьютер ждет своего часа в стенах компании Google. «Сообщество полно энергии, а недавние прорывы поражают», — заявляет физик Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина.
В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся «квантовом превосходстве»: времени, когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать одни лишь числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но вся суть квантовых вычислений заключается в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долгое время считалось, что 50 кубитов будет достаточно для проведения вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго. В середине 2017 года исследователи из Google объявили, что собираются продемонстрировать квантовое превосходство к декабрю. (На недавнюю просьбу поделиться новыми данными представитель компании ответил так: «Мы объявим результаты, как только они будут достаточно обоснованными, а пока проводится тщательный анализ уже имеющихся наработок».)
Очень хочется сделать вывод, что все основные проблемы решаемы и будущее, в котором квантовые компьютеры — явление повсеместное, это лишь вопрос технического оснащения. Но он будет ошибочным. Физические вопросы в основе квантового вычисления пока еще далеки от решения.

Даже если мы вскоре и шагнем в эпоху квантового превосходства, следующие год-два могут оказаться решающими — действительно ли квантовые компьютеры полностью изменят подход к вычислениям? Ставки все еще высоки, и нет никаких гарантий, что цель будет достигнута.

Заткнись и вычисляй
И преимущества, и проблемы квантовых вычислений являются неотъемлемой частью физики, которая делает их возможными. Об основах уже было сказано не раз, хотя не всегда уточнялось, чего же требует квантовая механика. Классические компьютеры хранят информацию и обрабатывают ее в двоичном коде (0 либо 1). В квантовых компьютерах ситуация почти та же самая, только каждый бит находится в так называемой суперпозиции, то есть он может быть и 0, и 1 одновременно. Это значит, что определить состояние кубита можно лишь с некоторой долей вероятности.
Чтобы выполнить вычисление с большим количеством кубитов, все они должны находиться во взаимозависимых суперпозициях — в состоянии «квантовой когерентности», при котором все кубиты считаются сцепленными. В таком случае малейшее изменение в одном кубите может повлиять на все остальные. То есть вычислительные операции с использованием кубитов имеют большую производительность, чем с использованием классических битов. В классическом устройстве вычислительные возможности находятся в простой зависимости от количества битов, а вот добавление каждого нового кубита увеличивает возможности квантового компьютера в 2 раза. Именно поэтому разница между 5-кубитным и 50-кубитным устройством так значительна.

Заметьте, я не сказал, как это часто делают, о том, что преимущество квантового компьютера перед классическим заключается в существовании суперпозиций, которые намного увеличивают количество возможных состояний закодированной информации. Как и не сказал, что сцепленность позволяет проводить много вычислений одновременно. (На самом деле, высокая степень сцепленности кубитов не является обязательным условием.) Доля правды в этом есть, но сути квантового вычисления ни одно из утверждений не описывает.
Из-за сложности понимания квантовой механики объяснить, почему квантовое вычисление обладает такой мощью — серьезная задача. Уравнения квантовой теории определенно показывают, что работать она будет — по крайней мере, с некоторыми видами вычислений: при факторизации или поиске по базе данных процесс ускоряется колоссально. Но насколько именно?
Пожалуй, самый безопасный способ описать квантовые вычисления — это сказать, что квантовая механика определенным образом создает «возможности» для вычислений, которые недоступны классическим устройствам. Как заметил физик Дэниел Готтесман из Института теоретической физики Периметр (Институт Периметра) в Ватерлоо: «Если доступно достаточное количество квантовой механики, то в некотором смысле процесс ускоряется, а если нет, то не ускоряется».

Хотя некоторые моменты все же ясны. Для проведения квантовых вычислений необходимо, чтобы все кубиты были когерентны, а это крайне трудно реализовать. Взаимодействие системы когерентных кубитов с окружающей средой создает каналы, через которые когеренция быстро «утекает». Этот процесс называется декогеренцией. Ученые, планирующие создать квантовый компьютер, должны предотвращать декогеренцию. Сейчас им удается остановить ее лишь на долю секунды. Ситуация становится сложнее, когда количество кубитов, а, соответственно, и возможность взаимодействия с окружающей средой возрастает. Именно поэтому, хоть идея квантовых компьютеров и была впервые предложена Ричардом Фейнманом еще в 1982 году, а теорию разработали в начале 1990-х, устройства, способные выполнять настоящие вычисления, удалось создать только сейчас.
Квантовые ошибки
Существует и вторая серьезная причина, по которой создать квантовый компьютер так тяжело. Как и любые другие процессы в мире, он издает шум. Случайные флуктуации, возникающие, скажем, из-за температуры кубитов или из-за особенностей фундаментальных квантомеханических процессов, могут менять направление или состояние кубита, что приводит к неточности расчетов. Такая угроза существует и в работе с классическими компьютерами, но она довольно просто решается. Необходимо просто создать две или более резервных копий каждого бита, чтобы случайно перевернутый бит не учитывался.
Ученые, работающие над созданием квантового компьютера, разработали несколько путей решения проблемы, но все стратегии приводят к появлению слишком большого числа дополнительных вычислительных расходов, так как вся вычислительная мощность расходуется на исправление ошибок, а не на выполнение заданных алгоритмов. «Текущая частота ошибок значительно ограничивает продолжительность возможных вычислений, — поясняет Эндрю Чайлдс, соруководитель Объединенного центра квантовой информации и вычислительных наук в Мэрилендском университете. — Нам нужно значительно улучшить результаты, если мы хотим создать что-то интересное».

Многие исследования в области фундаментальных квантовых вычислений посвящены методам исправления ошибок. Отчасти сложность проблемы определяется еще одним из ключевых свойств квантовых систем: суперпозиции можно поддерживать только до тех пор, пока вы не измеряете значение кубита. Измерение разрушит суперпозицию и приведет к определенной величине: 1 или 0. Как можно определить, произошла ли ошибка в работе кубита, если вы не знаете, в каком состоянии он находился?
В одной хитроумной схеме предлагается использовать косвенное вычисление путем объединения кубита со вторым вспомогательным кубитом. Последний не участвует в вычислении, поэтому его измерение не влияет на состояние основного кубита. Вот только реализовать это довольно сложно. Подобное решение означает, что для того, чтобы создать настоящий «логический кубит», защищенный от ошибок, необходимо много физических кубитов.
Сколько? Квантовый теоретик Алан Аспуру-Гузик из Гарвардского университета считает, что для создания одного логического кубита потребуется около десяти тысяч физических, что не представляется возможным в настоящее время. По его словам, если все пойдет хорошо, то это число уменьшится до нескольких тысяч или даже сотен. Айзерт настроен не так пессимистично и полагает, что порядка восьмисот физических кубитов будет достаточно, но признает, что даже при таком раскладе «дополнительные расходы вычислительной мощности все равно будут велики». Необходимо найти возможность справляться с ошибками.
Существует альтернатива исправлению ошибок. Их можно избегать или предотвращать влияние, что называют смягчением последствий ошибки. Исследователи из IBM разрабатывают схемы для математического вычисления вероятности появления ошибки, а затем принимают полученный результат за уровень нулевого шума.
Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок так и останется неразрешенной и не позволит квантовым компьютерам достичь предсказанных им высот. «Создание квантовых кодов, исправляющих ошибки, гораздо сложнее демонстрации квантового превосходства», — объясняет математик Еврейского университета в Израиле Гил Калай. Он также добавляет, что «приборы без исправления ошибок очень примитивны в своих вычислениях, а превосходство не может основываться на примитивности». Другими словами, квантовые компьютеры не превзойдут классические, если не избавиться от ошибок.
Другие ученые считают, что в конечном итоге проблема будет решена. Один из них — Джей Гамбетта, специалист в области квантовой информатики из Центра квантовых вычислений IBM им. Томаса Дж. Уотсона. «Наши недавние эксперименты продемонстрировали основные элементы исправления ошибок в маленьких устройствах, что, в свою очередь, прокладывает дорогу к устройствам большего размера, способным надежно хранить квантовую информацию в течение длительного периода времени при наличии шума», — сообщает он. Однако Гамбетта также признает, что даже при текущем положении дел «до создания универсального, устойчивого к ошибкам квантового компьютера, использующего логические кубиты, все еще далеко». Благодаря подобным исследованиям Чайлдс настроен оптимистично. «Я уверен, что мы увидим демонстрацию еще более успешных экспериментов [по исправлению ошибок], но, скорее всего, потребуется еще много времени, прежде чем мы начнем использовать квантовые компьютеры для реальных вычислений».
Жизнь с ошибками
В ближайшее время квантовые компьютеры будут работать с ошибками. Возникает вопрос: как с этим жить? Ученые IBM говорят, что в обозримом будущем область исследования «приблизительных квантовых вычислений» будет сосредоточена на поиске путей приспособления к шуму.
Это требует создания таких алгоритмов, которые будут выдавать правильный результат, игнорируя ошибки. Процесс можно сравнить с подсчетом результатов выборов, в котором не учитываются испорченные избирательные бюллетени. «Даже если оно и допускает некоторые ошибки, достаточно большое и высококачественное квантовое вычисление должно быть эффективнее [классического]», — говорит Гамбетта.

Одно из недавних устойчивых к ошибкам приложений технологии, судя по всему, имеет большую ценность для ученых, нежели чем для мира в целом: моделирование материалов на атомарном уровне. (Фактически, это было мотивацией, заставившей Фейнмана предложить идею квантовых компьютеров.) Уравнения квантовой механики описывают способы вычисления стабильности или химической реакционной способности (например, у молекул лекарств). Но эти уравнения не могут быть решены без использования большого количества упрощений.
Однако по словам Чайлдса, квантовое поведение электронов и атомов «относительно близко к естественному поведению квантового компьютера». Это значит, что можно было бы построить точную компьютерную модель молекулы. «Многие члены научного сообщества, в том числе и я, считают, что первое успешное применение квантового компьютера будет связано с квантовой химией и материаловедением», — делится Аспуру-Гузик: он был одним из первых, кто начал продвигать квантовые вычисления в этом направлении.
Квантовое моделирование доказывает свою полезность даже на тех маленьких квантовых компьютерах, которые доступны нам сегодня. Команда исследователей, в которую входит и Аспуру-Гузик, разработала алгоритм, названный ими «Вариационным методом решения задач в квантовой механике» (далее — ВМР). Этот алгоритм позволяет найти наименее энергозатратное состояние молекулы даже в шумных кубитах. На данный момент он может обрабатывать только очень маленькие молекулы с небольшим количеством электронов. С этой задачей хорошо справляются и классические компьютеры. Но возможности квантовых постоянно растут, как показали Гамбетта и его коллеги в сентябре прошлого года, когда использовали шестикубитное устройство, чтобы рассчитать электронную структуру молекул, таких как гидрид лития и гидрид бериллия. Работа стала «значительным прорывом для квантовых наук», как выразился специалист в области химической физики Маркус Райхер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. «Использование ВМР для моделирования маленьких молекул — отличный пример того, как можно применять краткосрочные эвристические алгоритмы», — считает Гамбетта.
Но, по словам Аспуру-Гузика, логические кубиты, способные исправлять ошибки, потребуются еще до того времени, когда квантовые компьютеры обгонят классические. «Не могу дождаться момента, когда способные на исправление ошибок квантовые вычисления станут реальностью», — прокомментировал он.
«Если бы у нас было больше двух сотен кубитов, мы могли бы делать по-настоящему новаторские вещи, — добавил Райхер. — А с пятью тысячами кубитов квантовый компьютер мог бы серьезно повлиять на науку».
А какой у вас объем?
Достичь таких целей невероятно сложно. Несмотря на все трудности, квантовые компьютеры из пятикубитных стали пятидесятикубитными всего за год — этот факт вселяет надежду. Тем не менее не нужно слишком зацикливаться на этих цифрах, потому что они рассказывают лишь малую часть истории. Сейчас важнее не сколько у вас кубитов, а как хорошо они работают и насколько эффективны разработанные вами алгоритмы.
Любое квантовое вычисление завершается тем, что начинается декогеренция, которая перемешивает кубиты. Как правило, время декогеренции группы кубитов составляет несколько микросекунд. Количество логических операций, которые можно выполнить за такое короткое время, зависит от скорости переключения квантовых ворот. При слишком низкой скорости становится неважно, сколько кубитов у вас в распоряжении. Количество операций, необходимых для того или иного вычисления, называется глубиной вычисления: алгоритмы с низкой глубиной эффективнее, чем глубокие алгоритмы. Однако доподлинно неизвестно, приносят ли они пользу при вычислениях.
Более того, не все кубиты одинаково шумны. Теоретически возможно создать кубиты с низким уровнем шума из материалов, которые находятся в так называемом «топологическом электронном состоянии»: если использовать частицы в таком состоянии для кодирования двоичной информации, она будет защищена от случайного шума. В попытке найти частицы в топологическом состоянии, исследователи из Microsoft в первую очередь изучают экзотические квантовые материалы. Тем не менее нет никакой гарантии, что их исследования увенчаются успехом.
Чтобы обозначить мощность квантового вычисления на конкретном устройстве, исследователи из IBM предложили термин «квантовый объем». Это число, которое объединяет все важные факторы: глубину алгоритма, число и связность кубитов, а также прочие показатели качества квантовых ворот (например, шумность). В целом этот «квантовый объем» характеризует мощность квантового вычисления. По словам Гамбетты, сейчас необходимо разработать квантово-вычислительное оборудование, которое позволит увеличить доступный квантовый объем.
Это одна из причин, почему хваленое квантовое превосходство — довольно смутная идея. Сама мысль о том, что 50-кубитный квантовый компьютер превзойдет современные суперкомпьютеры, звучит привлекательно, однако остается множество нерешенных вопросов. При решении каких именно задач квантовый компьютер превосходит суперкомпьютеры? Как определить, правильный ли ответ получил квантовый компьютер, если его нельзя проверить с помощью классического устройства? А что если классический компьютер будет эффективнее квантового, если найти более совершенный алгоритм?
Таким образом, квантовое превосходство — это концепция, которая требует осторожности. Некоторые исследователи предпочитают рассуждать о «квантовом преимуществе», о скачке в развитии квантовых технологий, а не об окончательной победе квантовых компьютеров над обычными. Более того, большинство старается не использовать слово «превосходство», поскольку оно содержит негативный политический и расистский смысл.
Вне зависимости от названия, если ученые продемонстрируют, что квантовые компьютеры могут выполнять задачи, с которыми не справляются классические устройства, то это станет чрезвычайно важным психологическим моментом для данной области. «Демонстрация неоспоримого квантового преимущества войдет в историю. Это докажет, что квантовые компьютеры действительно могут расширить наши технологические возможности», — уверен Айзерт.
Возможно, это станет символическим событием, а не кардинальным изменением в области вычислительной техники. Тем не менее на это стоит обратить внимание. Если квантовые компьютеры превзойдут обычные, это случится не потому, что IBM и Google внезапно запустят их в продажу. Чтобы достичь квантового превосходства, нужно наладить запутанную систему взаимодействия между разработчиками и пользователями. И последние должны быть твердо уверены, что новинку стоит попробовать. В стремлении к этому сотрудничеству, IBM и Google стараются как можно быстрее предоставить пользователям свои разработки. Ранее IBM предлагала всем зарегистрировавшимся на сайте доступ к своему 16-кубитному компьютеру IBM Q. Теперь компания разработала 20-кубитную версию для корпоративных клиентов, среди которых JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung и Оксфордский университет. Подобная коллаборация не только помогает клиентам найти что-то полезное и интересное, но и создает квантово-грамотное сообщество программистов, которые будут разрабатывать новые функции и решать проблемы, нерешаемые в рамках одной компании.
«Чтобы область квантовых вычислений активно развивалась, нужно дать людям возможность использовать и изучать квантовые компьютеры, — утверждает Гамбетта. — Сейчас всему научному и промышленному миру следует сосредоточиться на одной задаче — подготовке к эпохе квантовых компьютеров».

Перевод проекта Newочём