Дали квантовото изчисление е следващото голямо нещо?


При нормални обстоятелства пристигането на пробивна технология създава своя собствена реклама. Първата електрическа крушка привлече стотици зяпачи в Менло Парк, Ню Джърси, през 1879 г. Век по-късно тълпите отново се събраха, за да видят суперкомпютрите, задвижвани с изкуствен интелект, побеждават човешки гросмайстори на шах и Го. Социалните медии обявиха пристигането си с ръст на хокейната пръчка. Когато откриете нещо, което всъщност има силата да трансформира света, светът обикновено обръща внимание.

Но инвеститорите в квантовите изчисления – технология, която има теоретичния потенциал да направи традиционния суперкомпютър да изглежда като плъзгаща се линейка – най-вече блъскат собствените си рога, обещавайки революция, която е точно над хоризонта. Най-големият бустер е IBM, която прокарва квантовото развитие видеоклипове в YouTube и спонсорирани подкасти. Разрушаването на „бариерата на процесора от 100 кубита“ през ноември, подвиг, извършен от чипа Eagle на IBM, може да не е разтърсил света на технологиите, но не бихте го познали от компанията онлайн внедряване.

“Мечтите са пътуване във времето към бъдещето” Избухна Дарио Гил, директор на изследванията на IBM, във видео, обявяващо Eagle. „Определено сме пътували в бъдещето“, продължи той и добави: „Това е истинското нещо“.

IBM има голям финансов стимул да раздвижи своя квантов потенциал. С Eagle компанията залага, че квантовите изчисления могат да го върнат в първите редици на технологичните гиганти, заедно с Google, Microsoft и Amazon, всички от които финансират собствените си квантови усилия. По-малките квантови играчи също се опитват да пробият в пространството. IonQ, който стана публичен миналата година чрез компания за придобиване със специална цел, търгува с 1000 пъти годишния си приход. D-Wave, която има подкрепата на Goldman Sachs и Джеф Безос, също планира да стане публична чрез


SPAC

. Един скорошен доклад изчислява, че квантовите компютри могат да генерират близо трилион долара годишни приходи до 2050 г. с приложения от производството на автомобили и самолети до фармацевтичното развитие и финанси.

Но шумът около бъдещето на квантовите изчисления прикрива ограниченията на неговото настояще. Засега квантовите компютри остават изключително бавни и бъгави до степен на безполезност. За разлика от AI и разширената реалност, които вече се радват на стабилни тръбопроводи от продукти, насочващи се към пазара, на квантовите изчисления липсва нещо близко до работещ прототип със силата да привлича тълпа. И IBM, и IonQ имат „пътни карти“, които обещават работещ 1000-кубитов процесор до края на следващата година. Но експертите са съгласни, че дори компаниите да успеят да постигнат тази значимо звучаща цел – и това е голямо ако – универсален квантов компютър, който може да извършва редица практически операции сам, извън лаборатория, все още има много години.

„Ще бъде много постепенно подобряване на възможностите“, казва Селия Мерцбахер, която оглавява консорциума за квантово икономическо развитие. „Трябва да се случи много, за да стигнем до нещо, което прилича на това, което днес смятаме за компютър.“

Което води до въпроса, който повечето от нас си задават относно квантовите изчисления: Какво, по дяволите, е това?

Квант 101

В продължение на десетилетия основната единица на изчисленията е “битът” – или единица, или нула. Механичните компютри на Чарлз Бабидж използваха позицията на зъбните колела и лостовете за запис на битове. На флаш устройство битовете се съхраняват като електрически заряди върху малки магнитни клетки.

Квантовите изчисления, за разлика от тях, работят с кубити, които могат да бъдат единица, нула или комбинация от двете – необичайно, двусмислено състояние, известно като суперпозиция. Това е възможно, защото субатомните частици се противопоставят на здравия разум, появявайки се и изчезвайки по начини, които продължават да изненадват и объркват физиците. Фотоните, за да дадем само един пример, образуват модел със светли и тъмни ленти, когато са простреляни през преграда с два процепа. Но опитайте да използвате детектор, за да наблюдавате през кой процеп е минал отделен фотон и моделът изчезва.

Съблазнителното обещание на кубита се крие в неговата експоненциална сила. Два редовни бита могат да се използват за представяне на четири състояния – 00, 01, 10, 11 – но само едно от тези състояния във всеки даден момент. На теория два кубита могат да представят и четирите състояния едновременно и след това да се разрешат до каквото състояние е необходимо за решаване на даден проблем. Това означава, че 127-кубитовият Eagle има изчислителен потенциал, който е хиляди милиони милиони пъти по-голям от този на класическия суперкомпютър.

Проблемът е, че е невероятно трудно всички тези кубити да работят заедно. С днешната технология поддържането на състояние на суперпозиция дори в рамките на един кубит е трудна задача. Субатомните частици са чувствителни към малки промени в околната среда. Учените са се опитали да стабилизират своите квантови процесори, като ги съхраняват при изключително ниски температури, но това не е направило голяма разлика. Така че засега квантовите изчисления зависят от поддисциплина, наречена „квантова корекция на грешки“, която обикновено включва стартиране на един и същ код отново и отново, чрез множество кубити и използване на вероятността за коригиране на случайни грешки.

Необходимостта от корекция на грешки накара учените да правят разлика между физически кубити, като тези, които съставляват Eagle, и по-идеализирани логически кубити, които са достатъчно надеждни за програмиране. Според повечето оценки са необходими 1000 физически кубита, за да се получи един логически кубит. Така че дори ако IBM достигне своя бенчмарк от 1000 кубита до следващата година, той ще успее да постигне само изчислителните възможности на един единствен традиционен бит – компютър с част от мощността на конзола за видеоигри от 80-те години на миналия век.

Човек, заобиколен от машини с жици, квантов компютър

256-кубитов компютър, създаден от QuEra, квантово стартиране. Но дори и с много кубити, устройствата се нуждаят от помощ от традиционните компютри.

Алексей Билински/Ройтерс


Санкар Дас Сарма, физик-теоретик от Университета на Мериленд, който е публикувал широко за квантовите изчисления, вярва, че технологията е реална и има огромен дългосрочен потенциал. Но той е скептичен за нейните краткосрочни перспективи.

„Твърдението, че има хиляда или трилион кубити до някакъв краен срок е безсмислено твърдение, освен ако свойствата на тези „кубити“ нямат изключително добре дефинирани технически спецификации“, ми каза той. “Човек може лесно да има толкова кубити, колкото иска, ако са достатъчно лоши от гледна точка на изчисленията.”

Потенциални приложения

Нуждата от нов, по-мощен компютърен модел със сигурност е достатъчно реална. В продължение на десетилетия, както е предвидено от закона на Мур, компютърната мощност нараства с експоненциална скорост. Но този растеж започна да се забавя, обграден от физическата реалност. Казано по-просто, ние достигаме границата на колко транзистора можем да опаковаме в чиповете, които захранват класическите компютри. И ако тези транзистори не могат да станат по-малки, електрическите сигнали, които се въртят около чиповете, не могат да станат по-бързи. Нашите компютри все още стават по-умни и по-бързи, но тези печалби започват да се изравняват.

Но кубитите не са ограничени от традиционните граници на пространството и времето. Те съществуват в множество състояния едновременно – което означава, поне на теория, че можем да разположим огромни армии от тях, за да изпълняваме нашите изчислителни наддавания, ако можем да разберем как да впрегнем тяхната променлива природа.

Както често се случва, две основни приложения движат новата технология: наблюдение и финанси. Тъй като все повече и повече данни са защитени чрез криптиране с двоен ключ, правителствата са нетърпеливи да намерят начин да разбият кода. Това изисква да се измислят факторите на много големи полупрости числа – проблем, който би отнел милиарди години на най-мощните класически компютри. За разлика от тях, квантов процесор с хиляди логически, коригирани от грешки кубити може да декриптира имейли и други комуникации почти мигновено, позволявайки на правителствата да декодират и четат съобщения, докато те все още са в движение. Твърди се, че много страни съхраняват петабайти криптирани данни, предадени от техните противници, с надеждата, че квантовите изчисления един ден ще направят всичко четливо.

В същото време САЩ работят за изградете стандарт за “постквантова криптография”, която може да оцелее при кубит атака. „Не е неразумно да мислим, че ще имаме пълен хаос“, казва Майлс Тейлър, който помогна за организирането на усилията като началник на щаба в Министерството на вътрешната сигурност. “Някой ще има огромно асиметрично предимство. Може да е IBM. Може да е Китайската комунистическа партия.” Когато попитах за сроковете, Тейлър каза, че вярва, че ще видим квантов компютър, способен да разбива настоящите технологии за криптиране „в рамките на десетилетие“.

Друг сектор, който залага сериозно на потенциала на quantum, е финансите. D-Wave, фирмата с подкрепата на Goldman Sachs, е такава услуги за оптимизиране на маркетингово портфолио за финансиране на компании, обещавайки по-висока възвръщаемост при по-нисък риск. Класическите компютри имат проблеми с бързото решаване на проблеми, известни като “комбинаторна оптимизация”, като например как най-добре да разпределят инвестициите в различни сценарии. Един анализатор, например, съобщи, че на класическите компютри е необходим месец, за да извършат подробна симулация на риска от опашката върху ефектите от катастрофа с ниска вероятност върху пазарите.

Друго приложение от реалния свят в тази категория е т. нар. проблем на пътуващия продавач, който се стреми да изчисли възможно най-краткия път от град до град – зона с очевидни приложения за логистика на доставка и военни линии за снабдяване. Миналата година, когато австралийската армия използва квантови изчисления, за да тества своите системи срещу известни логистични предизвикателства, един военен лидер предупреди, че технологията все още е в „етап на прототип“ и че квантовите компютри остават „твърде малки и крехки, за да дадат полезни решения“.

Дълъг път

Дори ограничените успехи, приписвани на квантовите компютри, не винаги са толкова революционни, колкото изглеждат. Много квантови компютри – включително оптимизаторите на портфолиото на D-Wave – са “хибридни” машини, които работят в тандем с класическите компютри. Същото важи и за почти цялата квантова изчислителна мощност, която е публично достъпна чрез облака. В някои случаи това се равнява на малко повече от пръскане на квантов прах върху проблеми, които се подготвят, кодират и предават от класическите машини. Битът върши цялата тежка работа, а qubit получава заслугата.

Тази област също е засегната от липса на съгласие относно основните дефиниции. През 2019 г. Google и IBM се сблъскаха дали процесорът Sycamore на Google наистина е постигнал „квантово надмощие“, като е изпълнил специално направена изчислителна задача за три минути. Google настоя, че на класическия компютър ще са необходими хиляди години, за да изпълни същата задача. IBM се аргументира ще отнеме само дни.

Ако вашият бизнес набира капитал за квантови стартиращи компании, обаче, подобни проблеми често се отхвърлят като дребни подробности. Квантовите изчисления възникнаха в културата на първоначалните публични предлагания, която традиционно беше нетърпелива да залага големи на високорискови технологии с висока печалба. Често се прикрива в оборудването на утвърдени научни предприятия – камери на минус нула, учени, които крачат из лаборатории, университетски партньорства, огромни бюджети за научни изследвания – без да има никакви трудно спечелени резултати, които да покаже за себе си. Подобно на самия кубит, бъдещето на квантовите изчисления остава силно теоретично.

Дас Сарма, физикът, сравнява настоящите квантови усилия с опитите да се създаде смартфон от стогодишни вакуумни тръби. Основните принципи може да са налице, но инженерите не са имали време да наваксат. В резултат на това квантовите изчисления, подобно на най-ранните си предшественици, могат да останат в рудиментарно състояние за дълго време напред. „Египетското сметало всъщност беше компютър“, отбелязва Дас Сарма. — Но не особено добър.


Мататиас Шварц е старши кореспондент на Insider.