Квантовое превосходство Зачем нам квантовые компьютеры

Вычислительные мощности обычных компьютеров (то, что компьютеры стали «обычными» — само по себе явление относительно недавнее) росли экспоненциально, и казалось, что они вот-вот смогут все. Решат все те проблемы, с которыми люди не хотят или не могут разобраться самостоятельно. В дешевом телефоне, лежащем в кармане школьника, больше вычислительных мощностей, чем у компьютера, рассчитавшего полет человека на Луну. Однако нам все мало.

Когда микропроцессоры приблизились к физическом пределу плотности размещения транзисторов, из компьютеров стали строить суперкомпьютеры, объединять в вычислительные сети и кластеры, создавать нейросетевые структуры…

Но эта гонка никак не заканчивается. Почему?

Что мы никак не можем посчитать?

Суперкомпьютер Фугаку имеет производительность в 415 ПетаФлопс, где FLOPS — внесистемная единица, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду он выполняет. Но несмотря на фантастическую вычислительную мощность современных суперкомпьютеров, есть множество задач, которые они никак не осиливают. Чтобы всего-то рассчитать все варианты размещения 100 пассажиров в двух автобусах (два в сотой степени вариантов) бедному Фугаку потребуется 4.6 х 10 в 35 степени лет, что больше теоретического срока существования Вселенной. А чтобы спрогнозировать движение 30 электронов в ограниченном пространстве, нам не поможет даже суперкомпьютер, в оперативной памяти которого больше битов, чем атомов в видимой области Вселенной. Эти задачи кажутся нелепыми и надуманными, но это не так — есть немало весьма важных прикладных областей, где расчеты такого рода вполне востребованы. Например — строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Или спрогнозировать ваше потребительское поведение по BigData, чтобы убедить купить что-то, то вы покупать не собирались. Или рассчитать варианты размещения десятков тысяч деталей на одной плате, так, чтобы длина проводников между ними была минимальна. Или подобрать пароль к вашему криптокошельку.

Ограниченность компьютеров — в их бинарной логике и решении комбинаторных задач перебором, что требует огромных ресурсов. Можно ли с этим что-то сделать?

Кое-что можно. Например, отказаться от бинарной логики. И тут мы приходим к квантовой неопределенности…

«Да», «Нет» и «Даданетда»

Обычный компьютер имеет двоичную логику. Информация в нем структурирована битами, который могут иметь значение «ноль» или «единица», то есть «да» или «нет». Физически, это закрытый или открытый транзистор. В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые — Quantum Bits, или Кубиты. Это не ячейка транзистора, а квантовый объект, который имеет свойство неопределенности. Что это такое и как вообще возможно, во всем мире понимают человек, может быть, сто. Или десять. Или ни одного. Впрочем, с физическим принципом электричества, в общем, та же картина, но это никому еще не помешало включить лампочку.

Так что остается только принять, что кубит находится в суперпозиции, пока его не измеришь, а значит, может иметь два состояния — 0 и 1 разом. Значит, там, где у обычного компьютера одна операция, у квантового сразу несколько. Это можно сравнить с компьютерным кластером, который состоит из кучи компьютеров в нескольких параллельных мирах, которые, между тем, являются одним компьютером, что позволяет решать одну задачу одновременно. Три кубита создают восемь различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один, то есть скорость вычисления вырастает в восемь раз. (Не пытайтесь это представить, но это работает.)

Сильно упрощая — там, где обычный компьютер перебирает варианты решений последовательно, квантовый получает их все одновременно, потому что существует во множестве параллельных миров разом

Звучит как фантастика, но с наукой такое бывает. Остается выбрать из этих решений правильное, для чего существуют специальные приемы, например, «алгоритм Гровера» (GSA от англ. Grover search algorithm).

Если кубиты кажутся вам слишком безумными, то вы еще не слышали о кудитах — это расширенная версия кубитов, которые одновременно могут находиться более чем в двух состояниях: например, в трех состояниях (кутриты) или в четырех состояниях (кукварты) и так далее. (То есть ваша квантовая лампочка не просто одновременно горит и не горит, но и находится в еще нескольких состояниях, не спрашивайте, каких именно).

Гирлянды из лампочек Шредингера

Несмотря на кажущееся безумие квантовых вычислений, технически они реализуемы. Вместо скучных бинарных транзисторов в качестве вычислительных ячеек можно использовать электроны с их спином или, например, фотоны и их поляризацию.

Эти вычисления тесно связаны с таким понятием, как «квантовое превосходство». Это научная концепция, которая гласит, что «квантовый компьютер может делать вещи в некоторых областях, выходящих за рамки возможностей неквантовых, или классических, компьютеров, но он никогда не заменит классические компьютеры». То есть, вероятность того, что на вашем столе однажды появится коробка «Quantum-РС» можно представить себе только в одном из тех самых «параллельных миров». Квантовые компьютеры, несмотря на колоссальную теоретическую вычислительную мощность, не очень подходят для игр-стрелялок и интернет-серфинга (хотя сам по себе «квантовый интернет» — идея прелюбопытная). Что же они тогда могут?

Пока что самое грандиозное, что смог реально существующий квантовый компьютер, — разложение числа 15 на простые множители. Не впечатлены? А зря. Разложение числа на простые множители, так называемый «алгоритм Шора», лежит в основе всей современной криптографии. Для подбора скрытого ключа использующихся систем шифрования с открытым ключом (например, RSA) необходимо именно разложить открытый ключ на простые множители. Обычному компьютеру на такую задачу требуется время, исключающее практическую постановку такой задачи, а вот квантовые справляются с разложением за время, полиномиальное от раскладываемого числа (попросту — гораздо, гораздо быстрее). При создании достаточно мощных квантовых компьютеров вся современная система шифрования отправляется в утиль, а блокчейн криптовалют теряет свою непогрешимость.

Так что не надо недооценивать «квантовое превосходство», хотя недостатки у него, конечно, есть.

Не квантовать!

Пока что квантовые компьютеры создают больше проблем, чем их решают. Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е годы, когда те представляли собой нелепое нагромождение огромных ящиков, с трудом обгоняющих ручные счеты. Например, квантовые кубиты настолько нестабильны, что чувствительны к тепловому шуму материи, поэтому вычислительные ячейки охлаждают жидким азотом.

Есть и принципиальные сложности: поскольку у кубита есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0, всегда есть и вероятность ошибки. Чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ, поэтому зачастую приходится проводить несколько расчетов одной и той же задачи или считать одну и ту же задачу на нескольких компьютерах. Кроме того, в силу квантовой природы вычислений, ответ всегда будет содержать в себе возможность ошибки, это неустранимый фактор, хотя его можно минимизировать.

Не стоит забывать, что квантовые технологии в самом начале своего пути. Но уже сейчас в них многие готовы вложиться.

Квантовые перспективы

Инвестиции в квантовые технологии весьма внушают.

В Японии объединение Quantum Strategic Alliance for Revolution (Q-STAR) возглавили такие киты экономики, как Toyota Motor, Hitachi и NTT. К середине следующего года страна планирует ввести в эксплуатацию свой первый квантовый компьютер. К 2030 году, по прогнозам японцев, квантовую технологию будут использовать 10 миллионов человек.

В США Alphabet, материнская компания Google, тратит на квантовые вычисления миллиарды долларов с целью создания к 2029 году коммерческого квантового компьютера, который сможет выполнять крупномасштабные вычисления. Также в квантовую технику вкладываются IBM, Intel, Microsoft и другие компании. Исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров, есть чуть ли не в каждом большом американском институте.

У нас, увы, ситуация так себе — по прикидкам Росатома, российские технологии в этой области отстают от международных разработок примерно на 7—10 лет. В ходе форума «Открытые инновации» замглавы Минцифры РФ Максим Паршин обещал разрыв оперативно сократить — по его словам, к 2024 году Россия продемонстрирует примеры квантовых вычислений на реальных задачах при помощи стека собственной разработки. Это уменьшит отставание России в квантовых технологиях от стран-лидеров (США и Китая), и к 2025 году оно составит не более двух-трех лет. Впрочем, это тоже много.

Береги кошелек!

Так стоит ли вам начинать бояться за свой криптокошелек? Готов ли квантовый компьютер его очистить?

Ученые из Сассекского центра квантовых технологий и компании Universal Quantum подсчитали количество физических кубитов, необходимых для взлома 256-битного шифрования ключей в сети Bitcoin с помощью эллиптической кривой.

Как показал расчет, для взлома шифрования в течение часа с использованием поверхностного кода потребуется 317 × 106 физических кубитов. Чтобы взломать шифр в течение дня, потребуется 13 × 106 физических кубитов. Для сравнения — самый большой в мире квантовый компьютер IBM сейчас работает со 127 кубитами.

Так что время до появления квантовых хакеров у нас еще есть.