Миллион лет сжались в минуты: что сулит человечеству эра квантовых компьютеров

Калифорнийский стартап, который уже полтора десятилетия занимается квантовыми вычислениями, сообщил о достижении «квантового превосходства» на практически значимой задаче. Но так ли все однозначно? В мире квантовой физики громкие заявления редко остаются без ответа. Почти сразу после публикации в журнале Science две независимые группы исследователей — из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) и Института Флэтайрон в США — выступили с опровержениями, заявив, что классические компьютеры тоже способны справиться с этой задачей.

Прежде чем говорить о квантовой революции, стоит оценить масштаб того, с чем сравнивают свои результаты ученые из D-Wave. История суперкомпьютеров началась в 1960-х, когда инженер Сеймур Крей создал CDC 6600 — машину, которая впервые заставила говорить о «сверхвычислениях». С тех пор гонка производительности не прекращалась.

Сегодняшний Frontier, установленный в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США, — это настоящий монстр вычислительной мысли. Он построен на архитектуре HPE Cray EX235a с процессорами AMD EPYC и графическими ускорителями Instinct MI250X, объединяя более 8,7 млн ядер CPU и GPU. Его производительность в тесте Linpack достигает 1,206 экзафлопса — это больше квинтиллиона операций с плавающей точкой в секунду.

Такие машины нужны для моделирования ядерных процессов, прогнозирования климата, расчета новых материалов и лекарств. Но есть класс задач, где даже экзафлопсной мощи недостаточно. Это задачи, требующие перебора невероятного количества комбинаций — например, моделирование квантовых систем. Здесь мы сталкиваемся с фундаментальным ограничением: классическая архитектура требует экспоненциального роста ресурсов при увеличении сложности системы. То есть если обычную задачу усложнить в два раза, суперкомпьютеру нужно в два раза больше времени. А здесь, если усложнить задачу в два раза, времени потребуется не в два, а в миллион раз больше — и это тупик.

«На самом деле, построение полноценных квантовых компьютеров является крайне трудоемкой задачей, связанной с необходимостью обеспечения стабильности кубитов и реализации механизмов коррекции ошибок. В связи с этим сегодня наибольшее распространение получили экспериментальные и прототипные решения с ограниченным числом "шумных" — высокочувствительных и часто ошибающихся из-за лишнего шума — кубитов, зачастую без полноценной поддержки коррекции ошибок (эпоха NISQ)», — говорит эксперт.

В отличие от Google, IBM или Российского квантового центра, которые работают над созданием универсальных (вентильных) квантовых компьютеров, D-Wave выбрала иную стратегию. Компания уже почти два десятилетия развивает технологию квантового отжига (quantum annealing). Это специализированный подход, не предназначенный для запуска любых алгоритмов, но оптимальный для решения задач комбинаторной оптимизации.

В начале вычисления система находится в суперпозиции всех возможных состояний, а затем медленное изменение параметров (магнитных полей) заставляет ее «остывать» и сходиться к состоянию с наименьшей энергией — то есть к оптимальному решению.

«Привлекательная особенность квантовых вычислений — способность эффективно обрабатывать огромные пространства состояний за счет использования суперпозиции и квантовой запутанности, фундаментальных эффектов квантовой механики. При этом под эффективностью подразумевается потенциальное превосходство над классическими вычислениями в ряде задач», — подчеркивает аспирант МАИ.

Суперпозиция — это когда кубит находится одновременно и в состоянии 0, и в состоянии 1. Как знаменитый кот Шрёдингера, который в коробке одновременно и жив, и мертв, пока мы не откроем крышку и не проверим. Только вместо кота — крошечная частица, а вместо жизни и смерти — два возможных значения (0 и 1), в которых она пребывает одновременно, пока мы не начнём измерять. А запутанность — это связь между кубитами, когда изменение одного мгновенно влияет на другой, даже если они разнесены на километры. Вместе эти эффекты позволяют квантовому компьютеру просчитывать миллионы вариантов одновременно.

Итак, какую же конкретно задачу решали исследователи? Речь идет о моделировании программируемых спиновых стекол — сложных магнитных материалов, где спины атомов взаимодействуют хаотичным образом. Спин атома можно представить как крошечную стрелку компаса, которая смотрит либо вверх, либо вниз. В обычном магните все стрелки смотрят дружно в одну сторону, а в спиновом стекле они торчат хаотично, как иголки в куче, и постоянно влияют друг на друга — понять поведение такого материала невероятно сложно.

Эти материалы критически важны для разработки датчиков, двигателей, устройств памяти и даже медицинского оборудования. Почему? Дело в том, что спиновые стекла лежат в основе многих технологий, которыми мы пользуемся каждый день. Например, жесткие диски компьютеров хранят информацию благодаря магнитным свойствам материалов — если мы поймем, как ведут себя атомы в хаотичных магнитных структурах, мы сможем создавать диски в тысячи раз более емкие, чем сейчас. В медицине спиновые стекла помогают улучшить томографы: чем точнее мы понимаем магнитные свойства тканей, тем более четкие снимки опухолей и сосудов получают врачи. А в двигателях электромобилей использование оптимизированных магнитных материалов позволяет снизить потери энергии и увеличить запас хода на одной зарядке. Так что расчеты, которые провела D-Wave, в перспективе могут сделать вашу технику мощнее, а лечение — эффективнее.

Главная проблема сегодня заключается в том, что для точного моделирования динамики такой системы после «квантового толчка» (quantum quench) необходимо проследить эволюцию волновой функции во времени. «Квантовый толчок» можно сравнить с тем, как резко пнуть муравейник и попытаться предсказать, куда побежит каждый муравей. Только вместо муравьев здесь — атомы, и они подчиняются не интуиции, а запутанным квантовым законам.

Классические методы, включая нейросетевые подходы и тензорные сети, сталкиваются с экспоненциальным ростом вычислительной сложности. Это значит, что всякий раз, когда вы добавляете в систему еще один атом, объем вычислений не просто увеличивается, а удваивается, утраивается или даже растет в геометрической прогрессии — очень быстро доходит до космических цифр. Запутанность между частицами растет так быстро, что представить состояние системы классическим способом становится невозможно — требуется хранить огромные массивы данных.

D-Wave использовала свой прототип с 1200 кубитами и смоделировала фазовые переходы в магнитной системе. Эндрю Кинг, ведущий научный сотрудник компании, сравнивает это с образованием узоров на замерзающем стекле.

Оценка времени, необходимого суперкомпьютеру Frontier, — миллион лет — была получена путем экстраполяции. Исследователи протестировали несколько классических алгоритмов (включая методы нейросетей) на задачах меньшей размерности и проследили, как время решения растет с увеличением сложности. Для самой сложной решетки экстраполяция дала буквально астрономическую цифру.

Однако у всей этой истории есть важный нюанс. Как только D-Wave опубликовала результаты, нашлись скептики — две группы ученых из Швейцарии и США, которые заявили, что на небольших объемах данных обычные компьютеры считают ничуть не хуже. Это можно сравнить с тем, как если бы одни ученые заявили, что изобрели велосипед, который едет 100 километров в час, а обычному велосипеду на это потребуется миллион лет. А скептики им перечили, отмечая, что сами проезжали на обычном велосипеде один километр за минуту, и у них тоже было все хорошо. А до 100 километров просто пока не доезжали. D-Wave в таком случае ответили бы скептикам тем, что проблема как раз и заключается в том, что на всю дистанцию у конкурентов просто может не хватить сил и их колеса отвалятся на первом повороте.

Означает ли это, что D-Wave ошиблась? Не совсем. Как отмечает авторитетное издание Physics World, опровержения касаются лишь более простых конфигураций и не достигают масштаба D-Wave.

Дэниел Лидар из Университета Южной Калифорнии, ранее сотрудничавший с D-Wave, назвал работу прорывом, подчеркнув, что возможность быстрого отжига на временных масштабах когерентности кубитов — времени, в течение которого они помнят свое квантовое состояние и могут делать большие просчеты, прежде чем снова превратиться в базовые кубиты, — стала возможна только сейчас.

«В большинстве случаев квантовое превосходство демонстрируется на специально сконструированных (синтетических) задачах, которые не всегда успешно транслируются в прикладные сценарии. Тем не менее, существуют и более практико-ориентированные примеры: в частности, компания D-Wave Systems продемонстрировала квантовое превосходство в задачах моделирования программируемых спиновых стекол. Эта задача представляет интерес как для материаловедения, так и для решения задач оптимизации, — отмечает Самир Ахмед.

Говоря проще, раньше квантовые компьютеры доказывали свою высокую работоспособность на задачах вроде «докажи, что 15 = 3 × 5». Это впечатляло ученых, но задачи бизнеса никак не решало. А теперь они взялись за действительно сложную задачу про магнитные материалы, решение которой позволит создавать более мощные двигатели, компактные датчики и эффективную электронику.

Фрэнк Верстрате из Кембриджского университета добавляет, что D-Wave исторически были чемпионами по преувеличению своих достижений.

Несмотря на споры о «превосходстве», технология D-Wave уже нашла практическое применение. Так, например, системы компании используются японским мобильным оператором NTT Docomo для оптимизации работы вышек сотовой связи. Для наглядности можно представить, как миллион людей в Токио одновременно заходят в интернет, и у сетей есть задача распределить сигнал между вышками так, чтобы у всех была связь и никто не зависал. Квантовый отжигатель найдет идеальную схему за секунды. Автомобильные концерны и производители продуктов питания применяют квантовые отжигатели для оптимизации логистических сетей.

В России также ведутся активные квантовые разработки. Работают профильные научные центры, такие как Российский квантовый центр (РКЦ), предлагающий, в частности, использование кудитов — квантовых ячеек с большим числом состояний — в качестве альтернативы кубитам. Если кубит — это своего рода выключатель, то кудит — это как регулятор громкости с множеством положений. Теоретически это позволит хранить и обрабатывать еще больше информации.

Госкорпорация «Росатом» также включена в эту гонку: в рамках Распоряжения Правительства РФ от 11 июля 2023 г. №1814-р определены направления развития квантовых технологий, включая задачи обеспечения информационной безопасности и внедрения квантово-устойчивых решений.

«К основным преимуществам квантовых вычислений можно отнести потенциальное экспоненциальное ускорение для отдельных классов задач, возможность более точного моделирования квантовых систем, а также перспективы применения в криптографии, оптимизации и машинном обучении. В то же время к существенным недостаткам относятся высокая чувствительность к шумам и ошибкам, сложность масштабирования систем и значительные требования к инфраструктуре», — резюмирует эксперт МАИ.

Это означает, что на данный момент квантовые компьютеры — не замена классическим, а скорее специализированный инструмент. Они не вытеснят ваш ноутбук или даже суперкомпьютер Frontier. Но для узкого класса задач — моделирования материалов, оптимизации, криптографии — они могут дать такое ускорение, которое оправдывает колоссальные затраты на охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю (ниже 45 милликельвин, как в экспериментах со спиновыми стеклами). Это на порядок холоднее, чем в открытом космосе. Если поместить туда палец, он отвалится мгновенно, но кубитам там комфортно — они просто перестают «шуметь».

«Что касается какого-то объективного потенциального вреда, то основной угрозой может быть криптография. Квантовые компьютеры в перспективе способны взломать большинство современных алгоритмов шифрования, включая RSA — то, что защищает ваши банковские переводы, переписку в мессенджерах и государственные тайны. Сейчас, чтобы взломать пароль, компьютеру нужны тысячи лет. Квантовый компьютер сделает это за минуты, потому что сможет перебрать все варианты пароля одновременно, а не последовательно», — подчеркивает Самир Ахмед.

Именно поэтому правительства и корпорации уже сейчас инвестируют в пост-квантовую криптографию. Гонка вооружений перешла на новый уровень: теперь это не только создание квантового «меча», но и разработка квантово-устойчивого «щита». И как показывает история с D-Wave, эта гонка только набирает обороты, а здоровая научная дискуссия лишь подтверждает, что мы стоим на пороге действительно больших перемен.