Світ

  ▪   The Economist

The Economist: Квантова весна

фото: IBM
Почалися перегони за першість у квантовому комп’ютингу. Але цій технології, можливо, доведеться пережити зиму, доки настане літо
Матеріал друкованого видання
№ 34 (562)
від 22 серпня

Комп’ютери, мабуть, завжди мали бути електронними. Але навіть у 1930 роках це було не зовсім зрозуміло. На початку 1930-х американський інженер Ванневар Буш сконструював механічний комп’ютер із передачами, блоками та валами, що приводилися в дію електричними двигунами. Його диференційний аналізатор, який займав усю невелику кімнату, міг розв’язувати рівняння, що містили до 18 змінних.


Квантовий комп’ютер, який потенційно може перевершити навіть найшвидші у світі суперкомп’ютери (принаймні для певних типів задач), нині перебуває на схожій стадії розвитку. Прототипи працюють, але ще остаточно не зрозуміло, якими будуть ці машини. Наприклад, велике питання: чи кубіти (квантові еквіваленти транзисторів) міститимуться в крихітних витках надпровідного дроту, охолодженого до наднизьких температур, чи це будуть іони, які утримуватимуться в магнітних полях, або ще якась інша технологія?


І хоча квантові комп’ютерні технології роблять лише перші кроки, уже виникла жвава екосистема стартапів у галузі програмного забезпечення. Великі корпорації, венчурні інвестори та уряди держав інвестують у дедалі більшу кількість нових фірм. Веб-сайт The Quantum Computing Report уклав нещодавно список із понад 70 назв компаній, значна частина яких планує писати програмне забезпечення для нових машин (більше ніж третина з них має назви, які починаються з Q).

 

Читайте також: Гуманітарна наука та її вартість


У новоявленій галузі вже вимальовуються перспективи битви між такими техногігантами, як Google, IBM і Microsoft. Вони наввипередки заманюють розробників на свої квантові платформи. Дехто з інсайдерів вже починає застерігати, що сектор випереджує сам себе, і прогнозує «квантову зиму» несправджених сподівань.


Можна було б легко списати захоплення квантовим комп’ютингом на новий виток моди. Але в цієї технології величезний потенціал, тож ставитися до неї слід серйозно. Класичні комп’ютери «думають» бітами, які можуть мати значення або 0, або 1. Кубіти здатні на суперпозицію, тобто можуть бути одночасно в обох станах. Ще одне ключове поняття квантової фізики — «сплутаність». Кубіти можуть бути з’єднані між собою, тобто дії над одним відбиваються на з’єднаному з ним, що дає змогу використовувати їхню обчислювальну потужність паралельно.


Перша властивість важлива для комп’ютерів із величезною пам’яттю. Суперпозиція означає, що місткість для збереження даних подвоюється з кожним кубітом. 64-кубітний комп’ютер має достатньо пам’яті для 18 квінтильйонів чисел. А заплутаність дає змогу проводити операції з блискавичною швидкістю. Кубіти розташовуються відповідно до алгоритму, який підходить для обраної задачі; система застосовує правила квантової механіки, аж доки не досягне стану, що дає відповідь.


Досягнути цього буде пекельно важко. Хоча вчені оволоділи мистецтвом розташування кубітів, вони поки що не можуть змусити їх працювати ідеально. Позаяк будь-який вплив ззовні, як-от вібрація або теплота, може позбавити ці делікатні елементи їхньої нульодиничності, тобто декогерувати, потрібно їх тримати в повній ізоляції (звідси — наднизькі температури, які сповільнюють рух атомів).
Помилки також потрібно виявляти та виправляти за допомогою багатьох інших кубітів. Оскільки великі числа кубітів не вдасться отримати принаймні ще років десять, питання про практичне застосування квантових комп’ютерів донедавна не турбувало вчених. Усе почало змінюватися кілька років тому, коли виробникам комп’ютерного обладнання вдалося збудувати машини, у яких було більше, ніж пара кубітів.

 

Читайте також: Криза невідтворюваності

 

Пропустити Q


Першою стала компанія IBM, яка 2016-го створила 5-кубітний комп’ютер, а у 2017 році — 20-кубітний (на зображенні). Найновіший квантовий процесорний блок (QPU), про який повідомили торік у листопаді, має 50 кубітів: на один більше, ніж в Intel. У березні їх обох обігнав Bristlecone від Google (72 кубіти). Стартап Rigetti недавно повідомив, що працює над 128-кубітною системою (хоча більше не завжди означає краще: деякі кубіти помиляються частіше за інші, а якихось загальноприйнятих еталонів якості для них немає). Тим часом класичні комп’ютери вже краще вміють симулювати квантові (до 50 кубітів), що полегшує тестування алгоритмів і застосунків.


Цей темп розробки недавно дістав благословення світила квантової галузі Джона Прескілла, професора Каліфорнійського технологічного інституту. «Квантові комп’ютери на 50–100 кубітів, можливо, здатні виконувати завдання, які перевищують можливості нинішніх класичних цифрових комп’ютерів», — написав він у статті, де назвав такі пристрої «шумним проміжним етапом кванта» (або ж NISQ — «noisy intermediate-scale quantum», де «noisy» означає, що кубіти ще певний час у майбутньому залишаться схильними до помилок).


Великі фірми намагаються зрозуміти, як можна використати квантовий комп’ютинг собі на користь, каже Майкл Бретт, генеральний директор стартапу QxBranch. Хімічні гіганти на кшталт BASF і DowDuPont хочуть зрозуміти, чи ця технологія може допомогти їм вирахувати структуру корисних нових матеріалів, наприклад каталізаторів для зменшення затрат енергії на виробництво добрив. Банки, зокрема Barclays і JPMorgan Chase, сподіваються використовувати їх для таких завдань, як поправки до портфелю ризиків. Розробники ігор також цікавляться можливістю застосування квантового комп’ютингу для створення відеоігор, наближених до реальності.

 

Читайте також: Гра в науку


Позаяк спостерігається дефіцит квантових талантів, компанії часто звертаються по допомогу до стартапів, які відіграють роль консалтингових агенцій. Це приносить новим фірмам гроші, а також дає їм змогу набувати інтелектуальну власність, щоб згодом розробляти справжнє програмне забезпечення. Типовий приклад — Zapata Computing: працівники, якими є випускники Массачусетського технологічного інституту з докторськими ступенями, розробляють на папері програми, «дуже схожі на ноти» (за словами власника Крістофера Савоя).

 

Квантові жнива


Цю галузь добре фінансують венчурні інвестори: приплив капіталу торік сягнув майже $250 млн. Вкладають ресурси й технологічні компанії. Найдовше працює в цій царині IBM. Арвінд Крішна, глобальний директор дослідницького відділу компанії, порівнює цю роботу з періодом, коли IBM створювала ринок для мейнфреймів у 1960 роках. Квантові дослідження компанія почала у 1970-х. У 2016 році вона виклала свій 5-кубітний квантовий комп’ютер в інтернеті, щоб інші могли користуватися ним і почати писати програми (в IBM це називають Q Experience). Відтоді IBM розробила інструменти для програмістів, допомогла МТІ підготувати онлайн-курси з квантового комп’ютингу й створила мережу з компаній та інших університетів для дослідження його практичного застосування.


Конкуренти теж не відстають. Минулого місяця в Google випустили набір інструментів для програмування Cirq. Стартап Rigetti виклав в інтернет машину з 16-кубітним квантовим процесором. IonQ — інший стартап, що займається дизайном комп’ютерного обладнання, — створив машину на спійманих у пастку іонах, яку легше програмувати. А ще ж є й Microsoft. Як і IBM, ця корпорація хоче створити «повністю закінчену систему», за словами керівника відділу квантового комп’ютингу Тодда Голмдала. Знову-таки, як і IBM, Microsoft пропонує набір інструментів для квантового програмування та навіть спеціальну мову програмування під назвою Q#. Але будь-який написаний нею код доведеться роками проганяти на симуляційних програмах. Квантовий комп’ютер від Microsoft усе ще в процесі розробки, позаяк ця компанія робить ставку на ще не випробуваний, але набагато менше схильний до похибок «топологічний» кубіт.

 

Читайте також: Змінитися, щоб бути лідером


IBM, Google та Microsoft не шкодують коштів, щоб привабити розробників і застосунки на свої платформи. IBM робить наголос на активному використанні Q Experience: нині там є понад 90 тис. користувачів, які провели 5 млн експериментів та опублікували 110 наукових праць. Керівник лабораторії квантового комп’ютингу та досліджень штучного інтелекту в Google Гартмунт Невен каже, що набір інструментів від Google розроблено для «професійних програмістів». Він стверджує, нібито його компанія незабаром досягне квантової першості. Тобто доведе, що її квантовий комп’ютер здатен розв’язувати задачі швидше, ніж класичний (критики вже називають це досягнення показухою, тому що така задача навряд чи матиме практичне значення). Зі свого боку, Microsoft інтегрувала власні квантові інструменти в інше програмне забезпечення, щоб класичним програмістам було легше користуватися ними.


Та хоч би яким був результат, у найближчому майбутньому квантовий комп’ютер у формі «заліза» не стоятиме в дата-центрах інших компаній, не кажучи вже про особисті робочі місця. Натомість квантові комп’ютери оселяться в комп’ютерних хмарах Google, IBM і Microsoft (а також Amazon і китайської компанії Alibaba, які мають менші квантові програми). Позаяк у найближчі роки ці машини ще довго будуть придатні лише для виконання дуже конкретних завдань, ці фірми мають намір використовувати їх головно як акселератори, що включатимуться в специфічних випадках, власне, як і комп’ютери з надшвидкими чіпами штучного інтелекту (ШІ) сьогодні.


Крім цих компаній, у наступні кілька десятиліть свої квантові комп’ютери матимуть хіба що державні структури. Національні Збройні сили й розвідувальні служби, особливо США та Китаю, давно фінансують цю галузь і, ймовірно, робитимуть це й далі. Вони побоюються, що колись квантові комп’ютери зможуть зламувати найкращі коди у світі, що дасть тій державі, яка їх перша розробить, здатність розшифровувати таємні комунікації або зламувати доступ до банківських систем.

 

Читайте також: Харківські нейтрони, екзогалактичні планети та клоновані мавпи


Китай має намір стати світовим лідером не лише в галузі ШІ, а й у квантових технологіях. Ця країна оголосила про плани витратити понад $10 млрд на створення державної лабораторії квантових досліджень, яка має відкритися у 2020 році. Це підштовхнуло Вашингтон до створення «Національної квантової ініціативи», яку деякі аналітики вже порівняли з ядерною програмою США 1940-х. Європейський Союз теж започаткував ініціативу з квантових досліджень у 2016 році та виділив на її фінансування понад $1 млрд.


Потік державного фінансування вже став таким потужним, що деякі венчурні інвестори почали скаржитися, нібито їх витісняють. Але сплеск ентузіазму до всього квантового викликає також і побоювання, що ця сфера переживає нездоровий хайп і що — як і з дослідженнями ШІ в 1970-х і 1980-х, коли вони не виправдали очікувань, — на неї чекає зима, тривалий період зменшення фінансування та інтересу до галузі.


Деякі стартапи переконані, що через кілька років настане спад, і починають страхувати свої інтереси. Співзасновник Heisenberg Quantum Simulations Міхаель Марталер сподівається, що його компанія буде достатньо міцною, щоб «перезимувати». Інші оглядачі театру квантового комп’ютингу застерігають, що значна частина написаного нині програмного забезпечення може застаріти, якщо квантові технології почнуть розвиватися в несподіваному напрямку.
Але навіть якщо квантова весна перейде в зиму, є висока ймовірність того, що згодом настане літо. Таке вже досить часто траплялося в минулому. Згідно з концепцією історика економіки Карлоти Перес, революційні технології завжди проходять «позолочений вік», що часто супроводжується інвестиційною бульбашкою, яка лускає. А тоді починається золотий вік широкого застосування. Немає жодних особливих підстав вважати, що квантовий комп’ютинг відхилятиметься від цієї моделі.

 

© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved

Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com