В 180 млн раз быстрее суперкомпьютера: когда мы достигнем квантового превосходства

Квантовые вычисления могли бы качественно повлиять на развитие искусственного интеллекта, экспоненциально увеличив скорость обработки данных, что, в свою очередь, значительно улучшило бы наше понимание мира: от сложных молекулярных структур до таких систем, как экономика, трафик в городах, изменения климата, взаимодействие людей в самых разных ситуациях и при различных условиях, в том числе и в вооруженных конфликтах. Разработки в области генеративного ИИ, начавшиеся в середине 2000-х, являются признаком перехода машинного обучения (МО) на новые уровни. Смогут ли ученые совершить технологический прорыв в области МО и квантовых вычислений, разбирался Фокус.

Как работает квантовый компьютер

Миллиарды долларов тратятся на то, чтобы свершилась очередная революция в области высоких технологий. К примеру, известно, что инвестиции Китая в квантовые вычисления с середины 1980-х составили примерно $25 млрд. И это, конечно не предел, однако создание полнофункционального квантового компьютера (КК) — очень сложная задача. Как вы знаете, в КК вместо обычных битов — ноля и единицы, — используются кубиты (квантовые биты). Биты функционируют как переключатели, которые либо включены, либо выключены, а вот кубиты могут быть включены и выключены одновременно или могут находиться в состоянии "между" значением "ноль" и значением "единица" — именно так ведут себя субатомные частицы, а кубиты состоят из атомов и субатомных частиц.

Однако кубиты чрезвычайно сложно контролировать, поэтому создание настоящего квантового компьютера по-прежнему является огромной проблемой. Поскольку кубиты по своей природе хрупки, их необходимо изолировать от любого внешнего вмешательства, будь то человеческое наблюдение или взаимодействие с другими частицами, иначе "скомпрометированные" кубиты переходят в состояние "декогеренции" и становятся "шумными". Ученые, занимающиеся квантовыми компьютерами, пытаются решить эту проблему. Например, они помещают кубиты в среду, где температура близка к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию), — вот тогда они более-менее стабильны. Машина также оборудована системой охлаждения, состоящей и множества трубок. По словам физика Спироса Михалакиса из Института квантовой информации и материи в Пасадене, чип, содержащий кубиты, едва можно разглядеть невооруженным взглядом, зато система охлаждения чипа просто огромна, но необходима, чтобы чип не подвергался влиянию окружающей среды. Учитывая такую конструкцию, можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время никто не будет брать квантовый ноутбук на работу, но ученые продолжают совершенствовать КК.

Конечная цель исследователей — экспоненциальное увеличение скорости и мощности по сравнению с классическими компьютерами, обрабатывающими информацию линейно, тогда как квантовые компьютеры выполняют множество вычислений в одно и то же время — параллельно. Конечно, можно подключить несколько классических компьютеров для параллельной работы, но все равно они никогда не смогут превзойти по скорости один мощный квантовый компьютер. Сложные вычисления, на выполнение которых у классических суперкомпьютеров ушли бы тысячи лет, теоретически могут быть выполнены квантовыми компьютерами за считанные минуты.

Как можно решить проблему квантовых вычислений

Юнгсанг Ким — соучредитель и главный технический директор IonQ, пытающийся создать "лучший в мире" квантовый компьютер, считает, что человечеству предстоит пройти долгий путь прежде, чем появится настоящий КК.

"Вы можете иметь столько кубитов, сколько захотите, но кубиты — это не квантовые компьютеры, точно так же, как кремний или песок — это не компьютер", — говорит он. "Во-первых, вы должны иметь возможность сказать компьютеру, что ему делать. Во-вторых, он должен дать вам правильный ответ, в котором вы будете уверены. Проблема квантовых вычислений заключается в огромном количестве ошибок. Поэтому, когда вы ставите квантовому компьютеру задачу выполнить определенный расчет, из-за шума машина начнет выполнять не эту задачу, а производить случайные действия. В итоге, вы получите мусор".

Однако решение проблемы кубитового мусора относительно простое: исправление ошибок. Около 90% вычислительной мощности любого КК должно быть направлено на устранение шума. Хорошая новость в том, что при наличии правильных алгоритмов это возможно.

"Есть алгоритм, при помощи которого мы занимаемся квантовой коррекцией ошибок. Он находит и исправляет их, а затем КК продолжает вычисления", — говорит Спирос Михалакис.

А в компании IonQ, к примеру, применяют к кубитам так называемый подход "захваченных ионов", когда атомы редкоземельного элемента (иттербия) захватываются и удерживаются на месте с помощью электромагнитных полей. Но даже если такой метод не будет успешным, Юнгсанг Ким столкнется с жесткой конкуренцией: метод захваченных ионов IonQ является одним из нескольких подходов к квантовым вычислениям, каждый из которых делает ставку на разные типы оборудования и опирается на разные типы кубитов. Как объясняет космолог Эндрю Понцен в своей книге "Вселенная в коробке": "Аппаратное обеспечение практически не имеет значения — оно может быть основано на атомах, свете, сверхпроводящих металлах или чем-либо еще, демонстрирующем квантовое поведение".

Так называемые машины со сверхпроводящими кубитами, разрабатываемые Amazon Web Services, Google, IBM, Intel, Alibaba и Baidu, располагают аппаратной частью для "укрощения" кубитов.

На что будут способны квантовые компьютеры

Когда проблема шума будет решена, квантовые компьютеры смогут, по мнению Михалакис, делать "умопомрачительные вещи". Например, с их помощью можно было бы значительно улучшить аккумуляторные технологии. Уже сегодня автопроизводители налаживают связи с пионерами в области квантовых вычислений. Так, Daimler сотрудничает с IBM, Volkswagen с D-Wave Systems (канадская фирма, занимающаяся квантовыми вычислениями), а Hyundai — с IonQ.

"Если мы сможем увеличить плотность энергии батареи для электрокара, то на одном заряде вы сможете проехать не 480 км, а около 2000 км", — говорит Ким, добавляя, что это помогло бы решить проблемы перехода на зеленую энергетику.

По словам Кима, более совершенные знания о нитрогеназе — бактериальном ферменте, который превращает азот в аммиак, — благодаря квантовым вычислениям, могут иметь огромное значение для нашей жизни. Он считает, что при помощи квантовых компьютером можно было бы разобраться, как функционируют бактерии, и это позволило бы в дальнейшем сэкономить минимум 10% потребляемой энергии, которая используется при производстве удобрений.

Тайны секвестрации углерода тоже могут быть разгаданы с помощью квантовых вычислений, что существенно поможет в борьбе с глобальным потеплением. Разработка лекарств на молекулярном уровне дала бы возможность создавать вакцины в кратчайшие сроки и, например, персонализировать процессы лечения рака. КК пригодился бы и при разработке более эффективного ракетного топлива. В общем, квантовые вычисления позволили бы нам разобраться и понять суть многих химических процессов.

Кубит также может произвести революцию в финансах и инвестициях. Огромный диапазон факторов, вызывающих рыночные колебания, предполагает "бесконечный" диапазон возможных результатов, но моделирование при помощи КК дало бы возможность делать более точные прогнозы. Квантовые компьютеры также естественным образом подходят для решения задач оптимизации и снижения издержек.

Квантовое превосходство не за горами

Пока что мы живем в эпохе Noisy Intermediate-Scale Quantum (шумный квант промежуточного масштаба) в ожидании квантового превосходства, когда квантовый компьютер однозначно продемонстрирует значительное преимущество перед классическими компьютерами. Заявления Google о достижении квантового превосходства при помощи 53-кубитной машины Sycamore оказались преждевременными. Равно как и уверения команды китайских ученых, работающих под руководством профессора Пань Цзяньвэя из Университета науки и технологий Китая. И это несмотря на то что КК Jiuzhang выполнял вычисления быстрее, чем лучший классический суперкомпьютер, достигнув ускорения примерно в триллион триллионов раз по сравнению с классической симуляцией.

Тем не менее, эти результаты не удовлетворили исследователей, которые настаивают на избирательном характере вычислений, используемых для определения превосходства, да и проблемы с исправлением ошибок никуда не исчезли. Более того, некоторые специалисты уверены, что есть много задач, с которыми классические компьютеры просто отлично справляются, и нет смысла переходить на квантовые.

"Я думаю, что квантовые компьютеры, может быть, через 20 или 30 лет смогут сделать действительно что-то полезное", — говорит математик Питер Шор. — "Может, это произойдет быстрее, но нам нужно будет совершить несколько "прорывов".

В ближайшем будущем учены предстоит задействовать и другие инструменты, а не только кубиты, чтобы достичь квантового превосходства, полагает Ким, намекая на развивающийся в последнее время генеративный ИИ.

Физик-теоретик Митио Каку в своей последней книге "Квантовое превосходство: как революция квантовых компьютеров изменит все" пишет, что "ИИ способен изучать новые сложные задачи, а квантовые компьютеры могут обеспечить вычислительные мощности для нейросетей… На самом деле их слияние может произвести революцию во всех областях науки, изменить наш образ жизни и радикально изменить экономику… ИИ даст нам возможность создавать самообучающиеся машины, которые смогут начать имитировать работу человеческого мозга, в то время как квантовые компьютеры могут предоставить вычислительную мощность, чтобы наконец создать действительно интеллектуальную машину".

Примечательно, что в июне этого года Пан и его команда объявили об очередной вехе своей машины Jiuzhang: в ходе испытаний она выполняла определенные виды вычислений, необходимых для ИИ, в 180 млн раз быстрее, чем самый быстрый в мире суперкомпьютер. Даже со всем шумом и ошибками Jiuzhang по-прежнему показывает впечатляющие результаты. что является поводом для оптимизма.

Для многих физиков и математиков каждый шаг на пути к функциональным и изменяющим мир квантовым компьютерам предполагает постановку глобальной цели, состоящей в более глубоком понимании природы реальности.