Квантовый суперкомпьютер все ближе к реальности
Google и IBM, два техгиганта, устроили гонку стартапов, задача каждого из которых в минимальные сроки построить следующее поколение суперкомпьютеров на основе квантового эффекта. Человечеству крупно повезет, если инженеры блестяще справятся со своей работой, ведь супервычислительные мощности позволяют решить кучу научных проблем, среди которых моделирование сложных химических реакций и решение математических задач.
Кажется, что еще недавно квантовое будущее лишь описывали в научпопе, а теперь оно стоит на пороге нашего дома. Но не торопите события. Еще никто не знает, когда настанут те времена техноволшебства и будут ли они совпадать с фантазией писателей. Пока что ученые упорно пробуют разные подходы для конструирования нового вида мощных компьютеров. Вот, что вам надо знать, чтобы подготовиться к ближайшей квантовой революции.
Хитрая работа кубитов
В основе квантовых вычислений лежит странный принцип квантовой запутанности, говорящий нам, что субатомная частица одновременно присутствует в двух разных областях пространства с собственными координатами, а обнаруживает себя лишь после акта наблюдения. Неоднозначное поведение частиц можно использовать для кодирования информации, только с меньшими энергозатратами и большей скоростью, чем у классических компьютеров.
Информацию записывают и считывают в обычный компьютер посредством превращения ее в набор набор единиц и нулей, где мельчайшая единица бит, а она может быть в двух состояниях - 1 или 0. Чтобы преодолеть ограничения вычислительной мощности, квантовый компьютер будет работать с кубитом. Он, в отличие от бита, кроме состояний 1 и 0 может сохранять еще и суперпозицию этих значений, разным образом комбинируя их. Возникают параллельные вычисления, которые позволяют за раз записать гораздо больше информации.
Понять природу работы кубита поможет небольшая визуализация. Вообразите, что перед вами сфера наподобие воздушного шарика. Классический бит умеет занимать строго только одну половину сферы, либо правую, либо левую. А кубит в суперпозиции может находится в любой точке сферы, таким образом в том же объеме появляется возможность записать больше информации, да еще с минимальными затратами энергии.
Долго ли ждать квантовых суперкомпьютеров?
До недавнего времени лидером гонки за квантовым будущим был Google. Год назад поисковой гигант выпустил статью, где рассказал об амбициозных планах по коммерциализации рыночного сегмента квантовых суперкомпьютеров в ближайшую пятилетку. Инженеры хвастались, что уже скоро человечество увидит вычислительную машину на основе 49 кубитов. Позже руководство Google выразило мнение, что суперкомпьютер далеко не главное, и он сам родится в результате побочных разработок.
Тем не менее, на горизонте появился достойный конкурент - компания IBM. В конце 2017 ее специалисты заявили о создании 50-кубитового квантового компьютера. Но его нельзя было назвать готовой моделью для продажи в офис. Удалось лишь создать прототип системы, способной удерживат квантовые состояния в стабильности в течение 90 микросекунд. Рекордного показателя достаточно для записи первой информации с помощью квантовой запутанности, а это уже заставляет поверить в реальность подобных машин.
Власть над кубитами позволит завоевать технологический рынок, поэтому к лидерам гонки уже примкнула пара стартапов помельче, но со своей изюминкой. Компания Riggeti, к примеру, тоже конструирует квантовый суперкомпьютер, только ее инженеры не гонятся за количеством кубитов, а все усилия направили на обеспечение стабильности системы. Если стратегия выбрана правильно, то рынок не сможет не заметить их присутствия, ведь чем устойчивей и надежней квантовые вычисления, тем выше вероятность, что завтра суперкомпьютер будет у вас в смартфоне. Компания D-Wave из Ванкувера представила систему из 2000 кубитов, но уважения она достойна не за вычислительную мощность, а за принадлежность ее прототипов к классу истинных квантовых компьютеров. Похоже, что у других симуляторы? И разумеется Билл Гейтс не остался в стороне, он хоть и ушел на пенсию, но все же не пропустит прорывную технологию. Недавно Intel заявила, что вот-вот выкатит новейшую разработку на тему квантовых суперкомпьютеров.
Невероятные возможности
В отличие от классических компьютеров квантовые машины вычисляют на других принципах и высокой скорости, поэтому станут непревзойденными помощниками для решения известных математических проблем, к примеру, поиска простых чисел. Также ученые-химики просто восторге от открывающихся перед ними возможностей, ведь суперкомпьютеры следующего поколения смогут смоделировать почти любую химическую реакцию. Год назад инженеры в Google использовали квантовое устройство для симуляции поведения молекулы водорода. Чуть впереди оказались специалисты из IBM, которые вычислили поведение и более сложных молекул.
Зачем это вообще нужно нам? Созданные модели позволят моментально синтезировать разные вещества с заданными свойствами и, в первую очередь, лекарства. В медицине грядет большой переворот. Но самая заветная мечта квантовых химиков - моделирование процесса Габера-Боша, с помощью которого производится промышленным способом аммиак и при этом крайне неэффективно. Квантовые вычисления помогут заглянуть внутрь загадочных химических реакций, чтобы обнаружить новые эффективные пути превращения веществ.