У 180 млн разів швидше за суперкомп'ютер: коли ми досягнемо квантової переваги

Квантові обчислення могли б якісно вплинути на розвиток штучного інтелекту, експоненціально збільшивши швидкість оброблення даних, що, зокрема, значно поліпшило б наше розуміння світу: від складних молекулярних структур до таких систем, як економіка, трафік у містах, зміни клімату, взаємодія людей у найрізноманітніших ситуаціях і за різних умов, зокрема й у збройних конфліктах. Розробки в галузі генеративного ШІ, що почалися в середині 2000-х, є ознакою переходу машинного навчання (МН) на нові рівні. Чи зможуть вчені здійснити технологічний прорив у сфері МН і квантових обчислень, розбирався Фокус.

Як працює квантовий комп'ютер

Мільярди доларів витрачаються на те, щоб відбулася чергова революція в галузі високих технологій. Наприклад, відомо, що інвестиції Китаю в квантові обчислення з середини 1980-х становили приблизно $25 млрд. І це, звичайно, не межа, однак створення повнофункціонального квантового комп'ютера (КК) — дуже складне завдання. Як ви знаєте, у КК замість звичайних бітів — нуля та одиниці, — використовуються кубіти (квантові біти). Біти функціонують як перемикачі, які або ввімкнені, або вимкнені, а ось кубіти можуть бути ввімкнені й вимкнені одночасно або можуть перебувати в стані "між" значенням "нуль" і значенням "одиниця" — саме так поводяться субатомні частки, а кубіти складаються з атомів і субатомних частинок.

Однак кубіти надзвичайно складно контролювати, тому створення справжнього квантового комп'ютера, як і раніше, є величезною проблемою. Оскільки кубіти за своєю природою тендітні, їх необхідно ізолювати від будь-якого зовнішнього втручання, чи то людське спостереження, чи то взаємодія з іншими частинками, інакше "скомпрометовані" кубіти переходять у стан "декогеренції" і стають "шумними". Вчені, що займаються квантовими комп'ютерами, намагаються розв'язувати цю проблему. Наприклад, вони поміщають кубіти в середовище, де температура близька до абсолютного нуля (мінус 273 градуси за Цельсієм), — ось тоді вони більш-менш стабільні. Машина також обладнана системою охолодження, що складається з безлічі трубок. За словами фізика Спіроса Міхалакіса з Інституту квантової інформації та матерії в Пасадені, чип, що містить кубіти, ледве можна розгледіти неозброєним оком, натомість система охолодження чипа просто величезна, але необхідна, щоб чип не зазнавав впливу навколишнього середовища. З огляду на таку конструкцію, можна з упевненістю сказати, що найближчим часом ніхто не братиме квантовий ноутбук на роботу, але вчені продовжують удосконалювати КК.

Кінцева мета дослідників — експоненціальне збільшення швидкості та потужності порівняно з класичними комп'ютерами, які обробляють інформацію лінійно, тоді як квантові комп'ютери виконують безліч обчислень в один і той самий час — паралельно. Звісно, можна під'єднати кілька класичних комп'ютерів для паралельної роботи, але все одно вони ніколи не зможуть перевершити за швидкістю один потужний квантовий комп'ютер. Складні обчислення, на виконання яких у класичних суперкомп'ютерів пішли б тисячі років, теоретично можуть бути виконані квантовими комп'ютерами за лічені хвилини.

Як можна розв'язати проблему квантових обчислень

Юнгсанг Кім — співзасновник і головний технічний директор IonQ, який намагається створити "найкращий у світі" квантовий комп'ютер, вважає, що людству доведеться пройти довгий шлях, перш ніж з'явиться справжній КК.

"Ви можете мати стільки кубітів, скільки захочете, але кубіти — це не квантові комп'ютери, точно так само, як кремній або пісок — це не комп'ютер", — каже він. "По-перше, ви повинні мати можливість сказати комп'ютеру, що йому робити. По-друге, він має дати вам правильну відповідь, у якій ви будете впевнені. Проблема квантових обчислень полягає у величезній кількості помилок. Тому, коли ви ставите квантовому комп'ютеру завдання виконати певний розрахунок, через шум машина почне виконувати не це завдання, а виконувати випадкові дії. У підсумку, ви отримаєте сміття".

Однак розв'язання проблеми кубітового сміття відносно просте: виправлення помилок. Близько 90% обчислювальної потужності будь-якого КК має бути спрямовано на усунення шуму. Хороша новина в тому, що за наявності правильних алгоритмів це можливо.

"Є алгоритм, за допомогою якого ми займаємося квантовою корекцією помилок. Він знаходить і виправляє їх, а потім КК продовжує обчислення", — каже Спірос Міхалакіс.

А в компанії IonQ, наприклад, застосовують до кубітів так званий підхід "захоплених іонів", коли атоми рідкісноземельного елемента (ітербію) захоплюються й утримуються на місці за допомогою електромагнітних полів. Але навіть якщо такий метод не буде успішним, Юнгсанг Кім зіштовхнеться з жорсткою конкуренцією: метод захоплених іонів IonQ є одним із кількох підходів до квантових обчислень, кожен з яких робить ставку на різні типи обладнання і спирається на різні типи кубітів. Як пояснює космолог Ендрю Понцен у своїй книжці "Всесвіт у коробці": "Апаратне забезпечення практично не має значення — воно може бути засноване на атомах, світлі, надпровідних металах або будь-чому іншому, що демонструє квантову поведінку".

Так звані машини з надпровідними кубітами, які розробляють Amazon Web Services, Google, IBM, Intel, Alibaba і Baidu, мають апаратну частину для "приборкання" кубітів.

На що будуть здатні квантові комп'ютери

Коли проблему шуму буде вирішено, квантові комп'ютери зможуть, на думку Міхалакіс, робити "запаморочливі речі". Наприклад, з їхньою допомогою можна було б значно поліпшити акумуляторні технології. Уже сьогодні автовиробники налагоджують зв'язки з піонерами в галузі квантових обчислень. Так, Daimler співпрацює з IBM, Volkswagen з D-Wave Systems (канадська фірма, що займається квантовими обчисленнями), а Hyundai — з IonQ.

"Якщо ми зможемо збільшити щільність енергії батареї для електрокара, то на одному заряді ви зможете проїхати не 480 км, а близько 2000 км", — каже Кім, додаючи, що це допомогло б розв'язати проблеми переходу на зелену енергетику.

За словами Кіма, досконаліші знання про нітрогеназу — бактеріальний фермент, який перетворює азот на аміак, — завдяки квантовим обчисленням, можуть мати величезне значення для нашого життя. Він вважає, що за допомогою квантових комп'ютерів можна було б розібратися, як функціонують бактерії, і це дало б змогу надалі заощадити щонайменше 10% споживаної енергії, яка використовується під час виробництва добрив.

Таємниці секвестрації вуглецю теж можуть бути розгадані за допомогою квантових обчислень, що істотно допоможе в боротьбі з глобальним потеплінням. Розробка ліків на молекулярному рівні дала б можливість створювати вакцини в найкоротші терміни і, наприклад, персоналізувати процеси лікування раку. КК став би в пригоді і під час розроблення ефективнішого ракетного палива. Загалом, квантові обчислення дали б нам змогу розібратися і зрозуміти суть багатьох хімічних процесів.

Кубіт також може зробити революцію у фінансах та інвестиціях. Величезний діапазон чинників, що викликають ринкові коливання, передбачає "нескінченний" діапазон можливих результатів, але моделювання за допомогою КК дало б можливість робити точніші прогнози. Квантові комп'ютери також природним чином підходять для розв'язання завдань оптимізації та зниження витрат.

Квантова перевага не за горами

Поки що ми живемо в епоху Noisy Intermediate-Scale Quantum (галасливий квант проміжного масштабу) в очікуванні квантової переваги, коли квантовий комп'ютер однозначно продемонструє значну перевагу перед класичними комп'ютерами. Заяви Google про досягнення квантової переваги за допомогою 53-кубітної машини Sycamore виявилися передчасними. Так само як і запевнення команди китайських учених, які працюють під керівництвом професора Пань Цзяньвея з Університету науки й технологій Китаю. І це попри те, що КК Jiuzhang виконував обчислення швидше, ніж найкращий класичний суперкомп'ютер, досягнувши прискорення приблизно в трильйон разів порівняно з класичною симуляцією.

Проте ці результати не задовольнили дослідників, які наполягають на вибірковому характері обчислень, використовуваних для визначення переваги, та й проблеми з виправленням помилок нікуди не зникли. Ба більше, деякі фахівці впевнені, що є багато завдань, з якими класичні комп'ютери просто чудово справляються, і немає сенсу переходити на квантові.

"Я думаю, що квантові комп'ютери, можливо, через 20 або 30 років зможуть зробити справді щось корисне", — каже математик Пітер Шор. — "Може, це станеться швидше, але нам потрібно буде зробити кілька "проривів".

У найближчому майбутньому вченим доведеться залучити й інші інструменти, а не тільки кубіти, щоб досягти квантової переваги, вважає Кім, натякаючи на генеративний ШІ, який розвивається останнім часом.

Фізик-теоретик Мічіо Кайку у своїй останній книзі "Квантова перевага: як революція квантових комп'ютерів змінить усе" пише:

"ШІ здатний вивчати нові складні задачі, а квантові комп'ютери можуть забезпечити обчислювальні потужності для нейромереж… Насправді їхнє злиття може спричинити революцію в усіх галузях науки, змінити наш спосіб життя та радикально змінити економіку… ШІ дасть нам змогу створювати машини, що самі навчаються, та можуть почати імітувати роботу людського мозку, в той час, як квантові комп'ютери могли б забезпечити обчислювальну потужність, щоб нарешті створити дійсно інтелектуальну машину".

Примітно, що в червні цього року Пан і його команда оголосили про чергову віху своєї машини Jiuzhang: під час випробувань вона виконувала певні види обчислень, необхідних для ШІ, у 180 млн разів швидше, ніж найшвидший у світі суперкомп'ютер. Навіть з усім шумом і помилками Jiuzhang, як і раніше, показує дивовижні результати, що є приводом для оптимізму.

Для багатьох фізиків і математиків кожен крок на шляху до функціональних квантових комп'ютерів, які змінюють світ, передбачає постановку глобальної мети, яка полягає в глибшому розумінні природи реальності.