Квантовое превосходство близко. Но оно не изменит мир

Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института продвинутых исследований, написала колонку о том, почему квантовые компьютеры еще далеки до того, чтобы хоть как-то повлиять на мир. Журналист AIN.UA приводит адаптированный перевод текста.

Презентация этого чуда вызвала бурю в СМИ. Это был день Святого Валентина 1946 года, когда газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала историю об «удивительной машине» и «одной из главных секретных вещей войны». Оперируя числами на беспрецедентной скорости, ЭНИАК был готов совершить «революцию в современной инженерии». Некоторые говорили, что устройство откроет новую эпоху промышленного дизайна.

Прошло более 70 лет, и скоро мир увидит новое обновление. Несколько компаний, в частности Google, IBM и калифорнийская компания Rigetti, гонятся за машиной, которая достигнет так называемого «квантового превосходства». Подвиг ознаменует момент, когда квантовый компьютер впервые превзойдет лучшие обычные компьютеры. Google, лидер отрасли, сможет похвастаться рекордом уже в этом году.

Квантовые компьютеры могут решить определенные проблемы намного быстрее, чем обычные. Разработка лекарств, материалов, прогноз погоды, биржевые торги — все это потенциально может быть улучшено с помощью квантовых компьютеров, выполняющих одновременно несколько десятков расчетов. Физики знают об этом с 1980-х годов, но только недавно начали создавать рабочие прототипы.

Google, как и ее основные конкуренты, создают компьютер, который сможет обрабатывать квантовые биты или кубиты, способные принимать значения 0, 1, а также 0 и 1 одновременно — в отличие от обычных, где есть только 0 и 1. Когда кубиты связаны квантовой запутанностью, такие машины могут производить вычисления, которые на традиционном компьютере потребуют миллиарды лет. Самые большие современные квантовые компьютеры имеют около 20 сверхпроводящих кубитов. Чипы следующего поколения, которые, как ожидается, достигнут квантового превосходства, будут иметь не менее 50.

Квантовое превосходство станет значительным достижением для науки. Но это не изменит мир в ближайшее время.

Дело в том, что алгоритмы, которые могут работать на современных квантовых компьютерах, не слишком популярны. Например, один из основных алгоритмов заставляет квантовый компьютер генерировать случайные числа. Это здорово для демонстрации квантового превосходства. Но для чего-то еще — вряд ли.

The Boston Consulting Group привлекла более 100 экспертов и проанализировала 150 публикаций для своего недавнего доклада о квантовых вычислениях. В работе говорится, что первые применения технологии появятся через три-пять лет, когда квантовые компьютеры смогут моделировать материалы. Это приведет к сокращению затратных и длительных лабораторных испытаний. В дальнейшем использование устройств будет распространяться. В последующие десятилетия рост производительности, достигнутый квантовыми компьютерами, оценивается в $450 млрд, утверждается в докладе.

Но давайте не увлекаться. Чтобы вычислить что-то полезное, скажем, химические свойства нового вещества, потребуется несколько миллионов кубитов. Но увеличить масштаб с 50 кубитов до нескольких миллионов — сложно. Если честно, проблема огромна.

Проблема в том, что квантовые системы исключительно хрупки. Чтобы сохранить свое квантовое поведение, кубитные чипы заключают в герметичные коробки, оснащенные вакуумными насосами для удаления посторонних молекул воздуха, или охлаждают до доли градуса выше абсолютного нуля. Больше кубитов означает больше холодильников, больше связей и больше затрат.

Хуже того, эти устройства чувствительны к малейшим помехам — даже шаги могут им помешать. Даже при размещении в удаленных помещениях и доступе через облако, остается непонятным, будет ли машина с миллионом кубитов когда-либо оставаться стабильной достаточно долго, чтобы функционировать.

И это еще не все. Квантовые компьютеры не автономны. Им нужен вспомогательный набор обычных компьютеров и других устройств для программирования, управления и мониторинга. К этому добавляется вычислительная нагрузка на производительность машин. Квантовый компьютер с 10 миллионами кубитов, работающий на несколько гигагерц, будет производить более 10 терабайт данных в секунду. Это больше, чем производит Большой адронный коллайдер.

Сегодня один кубит «стоит» $10 000 — и это без затрат на исследования и разработку. По этой оценке полезный универсальный квантовый компьютер — причем только «железо» — стоит минимум $10 млрд. И это устройство, коммерческая ценность которого далеко не гарантирована.

Чтобы сделать квантовые компьютеры коммерчески жизнеспособными, стоимость одного кубита должна резко упасть. Но когда и как это произойдет, никто не знает.

Специалисты в этой области верят в закон Мура — наблюдение, что количество транзисторов, которые могут быть размещены на чипе, удваивается каждый год (в оригинальной колонке говорится именно о годе, тогда как на самом деле в законе Мура речь идет о 24 месяцах — ред). Но закон Мура не является законом природы, и я не вижу причин для оптимизма. Для обычных компьютеров поворотными факторами были полупроводники, транзисторы и, в конечном итоге, микросхемы: другими словами, квантовая теория. Современные квантовые компьютеры больше похожи на устройства эпохи ЭНИАКа.

Исследователи должны двигаться дальше. Они должны внимательно посмотреть на квантовые компьютеры, которые они строят, и спросить, как они могут сделать их полезными. Если квантовые компьютеры когда-либо помогут решить проблемы человечества, им придется значительно улучшиться. Квантовое превосходство станет ориентиром для компьютеров — но здесь работа только начинается, а не заканчивается.