И всё же размер имеет значение

ВИКТОР ЛЕОНОВ,

к.т.н., главный редактор журнала "Современное машиностроение"

Нужно признать, что 2019 год не был так насыщен громкими открытиями и прорывными изобретениями, как его предшественники. Впрочем, это вполне объяснимо и прогнозировалось многими учёными. Потрясающее научные и технологические прорывы, которые произошли в конце прошлого - в начале нынешнего века затронули почти все научные дисциплины и поставили перед человечеством огромное количество практических задач, не решив которые, двигаться дальше невозможно, да и небезопасно.

И всё же, как минимум одно событие прозвучало громко, хотя и было ожидаемо.

Речь идёт о статье в журнале Nature «Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора». Статья была подготовлена сотрудниками подразделения Google AI Quantum под руководством Фрэнка Аруте, и  в ней впервые было объявлено о достижении квантового превосходства. Это означает, что при помощи квантового вычислительного устройства для выполнения хотя бы одного конкретного алгоритма был получен проверяемый результат, который невозможно получить, используя даже самые современные суперкомпьютеры классического типа.

Сам термин «квантовое превосходство» предложил профессор Калифорнийского технологического института Джон Прескилл в 2012 году. По его определению, квантовое превосходство наступает в тот момент, когда квантовый компьютер сможет провести вычисление, недоступное для классического компьютера, при этом практическая значимость результата значения не имеет.

Демонстрация авторами квантового превосходства включала в себя выборку решений из псевдослучайного контура, реализованного на квантовом устройстве Sycamore, а затем сравнение этих результатов с моделированием, выполненным на нескольких мощных классических компьютерах, включая суперкомпьютер Summit (IBM) в Национальной лаборатории Ок-Риджа в Теннеси.

Sycamore состоит из 54 кубитов (один оказался нерабочим, поэтому принято говоить о 53 рабочих кубитах), а также 86 ответвителей (связей между кубитами), которые используются для включения или выключения двухквитовых взаимодействий ближайших соседей, и схемы для одновременного измерения всех кубитов. Кроме того, авторы использовали 277 цифроаналоговых преобразователей для управления процессором. Для решения задачи потребовалось 200 секунд, причём тесты Google в настоящее время показывают, что решение эквивалентной задачи для современного классического суперкомпьютера займет около 10000 лет. Квантовое превосходство Sycamore впоследствии подтвердило и НАСА. Агентство уделяет большое внимание этой работе и планирует использовать его результаты в своих лунных и марсианских программах.

Однако нашлись и оппоненты, в первую очередь, главные конкуренты Google корпорация IBM, представители которой заявили, что разработанный ими алгоритм, решает эту задачу при помощи их же суперкомпьютера Summit за 2,5 дня. Но весь фокус как раз и заключается не в решении конкретной практической задачи, а в реализации алгоритма, не меняя его, который невозможно реализовать за время, недостижимое для классического суперкомпьютера. Впрочем, все алгоритмы, кодировки и результаты находятся в открытом доступе, и окончательный вердикт не за горами.

А вот с другим утверждением IBM, о том, что «квантовые компьютеры никогда не будут господствовать над классическими компьютерами, а скорее, будут работать вместе с ними», я готов согласиться. На современном и обозримом ближайшем уровне развития технологий квантовый процессор можно рассматривать, как сопроцессор огромной вычислительной мощности для решения узкого круга задач, недоступных для универсального компьютера, или требующих запредельных вычислительных и временных ресурсов. Что-то вроде видеокарты в игровом компьютере, но в несопоставимых масштабах.

Рождением квантовой механики считается 14 декабря 1900 года. В этот день Макс Планк сделал доклад «Об одном улучшении закона излучения Вина» на очередном заседании Немецкого физического общества, в котором он ввел термин «квант» для описания взаимодействия света с атомами. Любопытно, что сам Планк довольно долгое время отказывался признавать введённую им константу величиной физической. Он считал, что она является всего лишь удачным математическим трюком для упрощения формулы в целом, и только более поздние работы других физиков убедил его, что это не так. В соответствии с резолюцией XXVI ГКМВ постоянная Планка ℎ в точности равна 6,626 070 15⋅10⁻³⁴ кг·м²·с^−1.

Уже через 50 лет на основе теоретических законов квантовой механики стали выпускаться устройства для применения сначала в промышленных, а затем и в бытовых машинах. Область применения только лазерных устройств: от приготовления пищи и медицины - до сложнейших технологических работ в открытом космосе. Без сканирующего туннельного микроскопа, а также без  атомно-силового и сканирующего ближнепольного оптического микроскопов изучение наноструктуированных материалов и другие фундаментальные исследования уже просто невозможны. И это далеко не все примеры.

А вот очередь вычислительных устройств наступила несколько позже. Первым идею использования особенностей квантовой механики для вычислений предложил аспирант Колумбийского университета Стивен Визнер. Ещё в 1970 году он подал статью по теории кодирования в журнал IEEE Information Theory, но редакцией она была отвергнута, как антинаучная. Только в 1983 году работа Визнера «Сопряжённое кодирование» была опубликована в SIGACT News и получила высокие оценки специалистов.

Идея о квантовых вычислениях высказывалась независимо друг от друга Юрием Маниным в 1980 году и Ричардом Фейнманом в 1981 году. В своей знаменитой лекции «Там внизу достаточно места» на Первой конференции по физике вычислений, состоявшейся в Массачусетском технологическом институте, Нобелевский лауреат Фейнман  отметил, что невозможно эффективно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере. Он предложил базовую модель квантового компьютера, который был бы способен осуществить такое моделирование.

Можно сказать, что в восьмидесятые годы прошлого века трудами целого созвездия блестящих математиков и физиков была заложена теоретическая база для создания квантового программирования и первых квантовых процессоров.

Тем не менее, до определённого времени большинство работ, связанных с квантовыми вычислениями, носили теоретический и даже скорее фундаментальный характер, что и определяло довольно ограниченное количество заинтересованных лиц. Ситуация кардинально изменилась после того, как Питер Шор из Лаборатории Белла обнародовал важнейший квантовый алгоритм, который отныне носит его имя. Этот алгоритм одновременно решил две важные задачи — проблему факторизации целых чисел и задачу дискретного логарифмирования. Таким образом, алгоритм Шора теоретически позволяет взламывать используемые сейчас криптосистемы, а это уже угроза национальной безопасности и финансовой системе.

Нужно ли говорить, что после этого интерес к квантовым вычислениям возрос многократно, причём даже у людей, которые слово «квант» услышали впервые?

К исследованиям, которые проводились в университетах и высокотехнологических корпорациях очень быстро присоединились правительственные организации, отвечающие за уровень высоких технологий на государственном уровне. Такие, как RAND, NASA, ANB и прочие. Не случайно в статье Google о достижении квантового превосходства авторы поспешили уверить правительство США, что их достижение никак не угрожает государственным интересам. Пока, по крайней мере.

Так в чём же состоит практическая польза от достижения специалистов Google AI Quantum? Из всех отзывов, рецензий и комментариев на их статью, которые я прочитал, больше всего мне понравилась аналогия, приведенная в отзыве сотрудника MIT Уильяма Д. Оливера. Позволю себе процитировать этот отрывок полностью: «Демонстрация Аруте и его коллег во многом напоминает первые полеты братьев Райт. Их самолет, «Райт Флайер», был не первым летающим транспортным средством, и он не решал насущных транспортных проблем. Это также не возвестило о широком распространении самолетов и не ознаменовало начало конца для других видов транспорта. Вместо этого событие запомнилось тем, что оно показало новый режим работы - самоходный полет самолета, который был тяжелее воздуха. Первостепенным было именно то, что представляло собой событие, а не то, что оно достигло практически. И так же с этим первым докладом о квантовом вычислительном превосходстве».

И всё-таки практическое значение этой работы нельзя недооценивать. Эпоха квантовых вычислений только зарождается, и развитие её идёт разными направлениями, которые сейчас мы рассматривать не будем. Но уже очевидно то, что достаточно скоро нас ожидает стремительный прогресс в медицине, создании новых материалов с высокой проводимостью, развитии искусственного интеллекта.

А далее – по экспоненте.