Зачем России квантовый компьютер за 20 миллиардов

Так выглядит квантовый компьютер Google. Фото: Google

«Росатом» объявил о разработке собственного квантового компьютера. Госкорпорация планирует до 2024 года потратить на проект более 20 миллиардов рублей. «Компьютер должен обеспечить конкурентоспособность страны во многих технологических сферах», - объясняют свою сверхзадачу в «Росатоме».

Что такое квантовый компьютер и с кем придется конкурировать России при его разработке?

То ли ноль, то ли единица

Для начала минутка гордости. Квантовые вычисления еще в 1980 году предсказал советский математик Юрий Манин. С 1993 года Юрий Иванович живет в Германии, но лично квантовыми компьютерами не занимается. Ему ближе алгебра с геометрией, Манин - заслуженный профессор Математического института Макса Планка.

Квантовые компьютеры - крайне дорогие «игрушки» для ученых. А практические сложные вычисления производятся на транзисторных суперкомпьютерах. Основные их пользователи - госорганы, университеты, научные институты, IT-компании и банки. Крупнейший суперкомпьютер - американский Summit. Его разработали и построили в 2018 году компании IBM, Nvidia и Mellanox по заказу министерства энергетики США. Устройство состоит из 4608 серверов, которые занимают 500 квадратных метров. То есть по сути это множество мощных, но при этом вполне традиционных компьютеров, объединенных в сеть, способных обрабатывать колоссальные массивы информации и совершать очень сложные расчеты.

В традиционном компьютере единица информации - один бит. Он может принимать два значения: «0» и «1». Транзистор включается и пропускает электричество - у нас «1». Транзистор выключается - у нас «0». В компьютере миллиарды транзисторов (да-да, они крошечные), переключаются они очень быстро, почти со скоростью света. Транзисторы между собой соединены и образуют систему, которая позволяет совершать математические вычисления. Система понимает только «0» и «1», «выключено» и «включено». Никаких промежуточных значений быть не может. И вот в этом главное отличие транзисторного компьютера от квантового.

Вместо битов в квантовом компьютере кубиты. Они принимают уже три значения: «0», «1» и промежуточное, которое называется «суперпозиция». Кубиты постоянно меняют свое значение. В это сложно поверить, но фактически кубиты находятся в трех своих значениях одновременно. Квантовый компьютер мгновенно получает ответ, как только введены все исходные данные! Но есть одно но - вероятность того, что решение верно, не равна единице. Получается значение, очень близкое к правильному ответу, - все из-за непостоянства кубитов. Но вероятность получения правильного ответа можно максимально приблизить к единице - с помощью алгоритмов.

Мы в Матрице?

Ведущие техногиганты - Google, IBM, Intel, Microsoft - не хотят пропустить «квантовую компьютерную революцию», поэтому вкладываются в разработки. По мнению экспертов, квантовые мощности способны уже в недалеком будущем изменить здравоохранение, коммуникации, прогнозирование погоды и климата, градостроительство, астрономию, химические технологии. С помощью квантовых компьютеров можно разрабатывать новые лекарства, прогнозировать свойства веществ и миграцию, моделировать развитие городов. Серьезный вызов предстоит специалистам в области кибербезопасности и шифрования данных. Вычислительные возможности квантового компьютера теоретически позволяют взламывать самые сложные алгоритмы шифрования. Похоже, придется разрабатывать новые - это уже работа для квантовых программистов.

Профессор Массачусетского технологического института Сет Ллойд в своей книге «Программируя Вселенную» выдвинул головокружительную теорию: Вселенная и есть один большой квантовый компьютер, который постоянно производит нас и все, что нас окружает. Так это или нет, мы, может быть, узнаем лет через десять - тогда квантовые компьютеры достигнут таких мощностей, что смогут смоделировать возникновение и развитие Вселенной. Тогда мы точно будем знать, в Матрице мы живем или нет.

Велосипед без руля

Кубиты очень сложно контролировать, в процессоре их число невелико. Например, в квантовом компьютере Sycamore (англ. «Платан»), принадлежащем Google, 54 кубита. Для работы процессора приходится поддерживать минимальную температуру - в лаборатории используется жидкий азот, который позволяет охладить устройство до минус 273 градусов Цельсия. При этом чип с кубитами должен быть надежно защищен от всех видов излучений. В противном случае процессор будет работать некорректно.

«Росатом» планирует построить четыре компьютера, в которых будет от 50 до 100 кубитов. Это немало. Google в сентябре 2019 года объявил о том, что его 54-кубитный Sycamore достиг «квантового превосходства» - то есть сумел выполнить вычисления, которые не под силу транзисторным суперкомпьютерам. Причем сделал это всего за 200 секунд, классическому компьютеру на это понадобилось бы 10 тысяч лет. Правда, коллеги из IBM тут же выступили со скептической публикацией о том, что это был лабораторный эксперимент, который имеет мало отношения к практическому применению. И классический суперкомпьютер на самом деле может справиться с такой же задачей не за 10 тысяч лет, а за 2,5 дня, причем точность вычислений будет намного выше. Поэтому о «квантовом превосходстве» пока говорить рановато. Правда, оппоненты из IBM все-таки признают, что это была «отличная демонстрация прогресса».

Ученые постоянно сталкиваются с критикой: якобы квантовые компьютеры - это такой велосипед без руля, на котором можно ехать только прямо, практическое применение таких разработок в реальном мире туманно. Но менеджер Лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Хартмут Невен на это парирует: «Спутник тоже немногое умел. Он просто летел вокруг Земли. Но это был старт космической эры».