Начались гонки за первенство в квантовом компьютинге. Но этой новой технологии, возможно, придется пережить зиму, пока наступит лето, пишет The Economist.
Компьютеры, вероятно, всегда должны были быть электронными. Но даже в 1930 годах это было не совсем понятно. В начале 1930-х американский инженер Ванневар Буш сконструировал механический компьютер с передачами, блоками и валами, которые приводились в действие электрическими двигателями. Его дифференциальный анализатор, занимавший всю небольшую комнату, мог решать уравнения, содержавшие до 18 переменных.
Квантовый компьютер, который потенциально может превзойти даже самые быстрые в мире суперкомпьютеры (по крайней мере для определенных типов задач), сейчас находится на схожей стадии развития. Прототипы работают, но еще окончательно не ясно, какими будут эти машины. Например, большой вопрос: кубиты (квантовые эквиваленты транзисторов), содержащиеся в крошечных витках сверхпроводящего провода, охлажденного до сверхнизких температур, или это будут ионы, которые будут содержаться в магнитных полях, или еще какая-то другая технология?
И хотя квантовые компьютерные технологии делают только первые шаги, уже возникла живая экосистема стартапов в области программного обеспечения. Крупные корпорации, венчурные инвесторы и правительства государств инвестируют во все большее количество новых фирм. Веб-сайт The Quantum Computing Report заключил недавно список из более 70 названий компаний, значительная часть которых планирует писать программное обеспечение для новых машин (более чем треть из них имеет названия, которые начинаются с Q).
В новоявленной отрасли уже вырисовываются перспективы битвы между такими техногигантами, как Google, IBM и Microsoft. Они наперебой заманивают разработчиков на свои квантовые платформы. Кое-кто из инсайдеров уже начинает предупреждать, что сектор опережает сам себя, и прогнозирует «квантовую зиму» несбывшихся надежд.
На что способен квантовый компьютер?
Можно было бы легко списать увлечение квантовым компьютингом на новый виток моды. Но у этой технологии огромный потенциал, поэтому относиться к ней следует серьезно. Классические компьютеры «думают» битами, которые могут иметь значение либо 0, либо 1. Кубиты способны на суперпозицию, то есть могут быть одновременно в обоих состояниях. Еще одно ключевое понятие квантовой физики — «спутанность». Кубиты могут быть соединены между собой, то есть действия над одним отражаются на соединенном с ним, что дает возможность использовать их вычислительную мощность параллельно.
Первое свойство важно для компьютеров с огромной памятью. Суперпозиция означает, что емкость для сохранения данных удваивается с каждым кубитом. 64-кубитный компьютер имеет достаточно памяти для 18 квинтиллионов чисел. А запутанность позволяет проводить операции с молниеносной скоростью. Кубиты располагаются согласно алгоритма, который подходит для выбранной задачи; система применяет правила квантовой механики, пока не достигнет состояния, что дает ответ.
Достичь этого будет адски трудно. Хотя ученые овладели искусством расположения кубитов, они пока что не могут заставить их работать идеально. Поскольку любое воздействие извне, как вибрация или теплота, может лишить эти деликатные элементы их нольединичности, то есть декогерировать, нужно их держать в полной изоляции (отсюда — сверхнизкие температуры, которые замедляют движение атомов).
Ошибки также нужно выявлять и исправлять с помощью многих других кубитов. Поскольку большие числа кубитов не удастся получить по крайней мере еще лет десять, вопрос о практическом применении квантовых компьютеров до недавнего времени не беспокоил ученых. Все начало меняться несколько лет назад, когда производителям компьютерного оборудования удалось построить машины, в которых было больше, чем пара кубитов.
Пропустить Q
Первой стала компания IBM, которая в 2016-м создала 5-кубитный компьютер, а в 2017 году — 20-кубитный. Новейший квантовый процессорный блок (QPU), о котором сообщили в прошлом году в ноябре, имеет 50 кубитов: на один больше, чем у Intel. В марте их обоих обогнал Bristlecone от Google (72 кубита). Стартап Rigetti недавно сообщил, что работает над 128-кубитной системой (хотя больше не всегда значит лучше: некоторые кубиты ошибаются чаще других, а каких-то общепринятых эталонов качества для них нет). Тем временем классические компьютеры уже лучше умеют симулировать квантовые (до 50 кубитов), что облегчает тестирование алгоритмов и приложений.
Этот темп разработки недавно получил благословение светила квантовой области Джона Прескилла, профессора Калифорнийского технологического института. «Квантовые компьютеры на 50-100 кубитов, возможно, способны выполнять задачи, которые превышают возможности нынешних классических цифровых компьютеров», — написал он в статье, где назвал такие устройства «шумным промежуточным этапом кванта» (или же NISQ — «noisy intermediate-scale quantum», где «noisy» означает, что кубиты еще некоторое время в будущем останутся склонными к ошибкам).
Крупные фирмы пытаются понять, как можно использовать квантовый компьютинг себе на пользу, говорит Майкл Бретт, генеральный директор стартапа QxBranch. Химические гиганты вроде BASF и DowDuPont хотят понять, как эта технология может помочь им вычислить структуру новых полезных материалов, например катализаторов для уменьшения затрат энергии на производство удобрений. Банки, в частности Barclays и JPMorgan Chase, надеются использовать их для таких задач, как поправки к портфелю рисков. Разработчики игр также интересуются возможностью применения квантового компьютинга для создания видеоигр, приближенных к реальности.
Поскольку наблюдается дефицит квантовых талантов, компании часто обращаются за помощью к стартапам, которые играют роль консалтинговых агентств. Это приносит новым фирмам деньги, а также дает им возможность приобретать интеллектуальную собственность, чтобы впоследствии разрабатывать подлинное программное обеспечение. Типичный пример — Zapata Computing: работники, которыми являются выпускники Массачусетского технологического института с докторскими степенями, разрабатывают на бумаге программы, «очень похожи на ноты» (по словам владельца Кристофера Савоя).
Квантовая жатва
Эту отрасль хорошо финансируют венчурные инвесторы: приток капитала в прошлом году составил почти $250 млн. Вкладывают ресурсы и технологические компании. Дольше всех работает в этой области IBM. Арвинд Кришна, глобальный директор исследовательского отдела компании, сравнивает эту работу с периодом, когда IBM создавала рынок для мейнфреймов в 1960 годах. Квантовые исследования компания начала в 1970-х. В 2016 году она выложила свой 5-кубитный квантовый компьютер в интернете, чтобы другие могли пользоваться им и начать писать программы (в IBM это называют Q Experience). С тех пор IBM разработала инструменты для программистов, помогла МТИ подготовить онлайн-курсы с квантового компьютинга и создала сеть из компаний и других университетов для исследования его практического применения.
Конкуренты тоже не отстают. В прошлом месяце в Google выпустили набор инструментов для программирования Cirq. Стартап Rigetti выложил в интернет машину с 16-кубитным квантовым процессором. IonQ — другой стартап, занимающийся дизайном компьютерного оборудования, — создал машину на пойманных в ловушку ионах, которую легче программировать. А еще есть и Microsoft. Как и IBM, эта корпорация хочет создать «полностью законченную систему», по словам руководителя отдела квантового компьютинга Тодда Голмдала. Опять-таки, как и IBM, Microsoft предлагает набор инструментов для квантового программирования и даже специальный язык программирования под названием Q#. Но любой написанный ею код придется годами прогонять на симуляционных программах. Квантовый компьютер от Microsoft все еще в процессе разработки, поскольку эта компания делает ставку на еще не опробованный, но гораздо меньше подверженный погрешностям «топологический» кубит.
IBM, Google и Microsoft не жалеют средств, чтобы привлечь разработчиков и приложения на свои платформы. IBM делает упор на активном использовании Q Experience: сейчас там имеется более 90 тыс. пользователей, которые провели 5 млн экспериментов и опубликовали 110 научных трудов. Руководитель лаборатории квантового компьютинга и исследований искусственного интеллекта в Google Гартмунт Невен говорит, что набор инструментов от Google разработан для «профессиональных программистов». Он утверждает, что его компания вскоре достигнет квантового первенства. То есть докажет, что ее квантовый компьютер способен решать задачи быстрее, чем классический (критики уже называют это достижение показухой, потому что такая задача вряд ли будет иметь практическое значение). Со своей стороны, Microsoft интегрировала собственные квантовые инструменты в другое программное обеспечение, чтобы классическим программистам было легче пользоваться ими.
И каким бы ни был результат, в ближайшем будущем квантовый компьютер в форме «железа» не будет стоять в дата-центрах других компаний, не говоря уже про личные рабочие места. Зато квантовые компьютеры поселятся в компьютерных облаках Google, IBM и Microsoft (а также Amazon и китайской компании Alibaba, которые имеют меньшие квантовые программы). Поскольку в ближайшие годы эти машины еще долго будут пригодны только для выполнения очень конкретных задач, эти фирмы намерены использовать их в основном как акселераторы, будут включаться в специфических случаях, собственно, как и компьютеры с очень быстрыми чипами искусственного интеллекта (ИИ) сегодня.
Кроме этих компаний, в следующие несколько десятилетий свои квантовые компьютеры будут иметь разве что государственные структуры. Национальные Вооруженные силы и разведывательные службы, особенно США и Китая, давно финансируют эту отрасль и, вероятно, будут делать это и дальше. Они опасаются, что когда квантовые компьютеры смогут взламывать самые лучшие коды в мире, это даст той стране, которая их первая разработает, способность расшифровывать тайные коммуникации или взламывать доступ к банковских систем.
Китай намерен стать мировым лидером не только в области ИИ, но и в квантовых технологиях. Эта страна объявила о планах потратить более $10 млрд на создание государственной лаборатории квантовых исследований, которая должна открыться в 2020 году. Это подтолкнуло Вашингтон к созданию «Национальной квантовой инициативы», которую некоторые аналитики уже сравнили с ядерной программой США 1940-х. Европейский Союз тоже начал инициативу квантовых исследований в 2016 году и выделил на ее финансирование более $1 млрд.
Поток государственного финансирования уже стал таким мощным, что некоторые венчурные инвесторы начали жаловаться, якобы их вытесняют. Но всплеск энтузиазма ко всему квантовому вызывает также и опасения, что эта сфера переживает нездоровый хайп и что — как и с исследованиями ИИ в 1970-х и 1980-х, когда они не оправдали ожиданий, — ее ждет зима, длительный период уменьшение финансирования и интереса к отрасли.
Некоторые стартапы убеждены, что через несколько лет наступит спад, и начинают страховать свои интересы. Соучредитель Heisenberg Quantum Simulations Михаэль Марталер надеется, что его компания будет достаточно прочной, чтобы «перезимовать». Другие обозреватели театра квантового компьютинга предостерегают, что значительная часть написанного ныне программного обеспечения может устареть, если квантовые технологии начнут развиваться в неожиданном направлении.
Но даже если квантовая весна перейдет в зиму, есть высокая вероятность того, что впоследствии наступит лето. Такое уже довольно часто случалось в прошлом. Согласно концепции историка экономики Карлотты Перес, революционные технологии всегда проходят «позолоченный век», что часто сопровождается инвестиционным пузырем, который лопается. А тогда начинается золотой век широкого применения. Нет никаких особых оснований считать, что квантовый компьютинг будет отклоняться от этой модели.