В мире вычислений, а также среди инвесторов, мечтающих об их будущем, уже давно витает идея, что квантовая физика скоро изменит всё. Обещания звучат заманчиво: квантовые компьютеры смогут разрабатывать новые лекарства, создавать революционные батареи и решать сложнейшие задачи, которые недоступны современным суперкомпьютерам. Однако наряду с этими радужными перспективами идет угроза – квантовые технологии могут разрушить существующую систему шифрования, сделав уязвимыми кредитные карты и другие конфиденциальные данные.
Кажется, что буквально каждый день появляются новые заявления о том, что долгожданный квантовый компьютер – устройство, использующее квантовые биты (кубиты), – вот-вот станет реальностью. Еще в 1980 году физик Ричард Фейнман бросил вызов компьютерным ученым, предложив создать “машину иного типа”, которая использует странные и парадоксальные явления квантовой механики. Но проблема заключается в том, что воплощение этой идеи требует сложнейшей физики. Действительно ли Microsoft, Amazon и другие компании, активно хвалящиеся достижениями в этой области, приблизились к прорыву? Это пока неясно.
На данный момент можно сказать, что наши данные зашифрованы относительно безопасно. Как в феврале заметил один из представителей финансовой индустрии в интервью Wall Street Journal, квантовые компьютеры “всегда остаются в пяти годах от настоящего прорыва”. А глава Nvidia Дженсен Хуанг полагает, что ждать придется еще 20 лет. А может, этот момент никогда и не наступит.
Сегодняшние инвесторы в квантовые технологии, по сути, делают ставки на различные экспериментальные подходы к созданию “машины Фейнмана”. Прогресс очевиден, но пока ни один из подходов не доказал своего полного превосходства. Несмотря на сообщения о том, что квантовые компьютеры начинают находить практическое применение и даже превосходить традиционные машины в отдельных задачах, фундаментальная проблема остается: создание стабильных и надежных кубитов – невероятно сложная физическая задача.
В обычных компьютерах информация представлена в виде битов, которые могут принимать значения 0 или 1. Вычисления проводятся последовательно, как на конвейере. Кубиты же обладают свойством суперпозиции, то есть могут одновременно находиться в нескольких состояниях между 0 и 1. Еще одним ключевым свойством является запутанность, позволяющая связанным кубитам мгновенно обмениваться информацией, что теоретически может дать экспоненциальное ускорение вычислений.
Основная сложность заключается в том, что кубиты чрезвычайно хрупки. Вмешательство окружающей среды приводит к ошибкам в вычислениях, делая систему непригодной для практического использования. Из-за этого разработка квантовых компьютеров движется небольшими шагами, а не революционными скачками.
В феврале Microsoft объявила о создании процессора Majorana 1, который должен стать основой “топологического” квантового компьютера. Компания утверждает, что её технология позволит разместить миллион кубитов на одном чипе размером с ладонь. В основе лежит гипотетическая частица – майорановский фермион, который ведет себя одновременно как электрон и антиреон. Microsoft полагает, что, используя этот эффект в сверхпроводящих алюминиевых проводниках, можно создать более устойчивые кубиты.
Однако не все так просто. Статья, опубликованная в Nature, сопровождается примечанием рецензентов, указывающим, что ключевой заявленный эффект – так называемые “нулевые моды Майораны” – не был окончательно подтвержден. Это значит, что научное сообщество требует дополнительных доказательств. Microsoft уже сталкивалась с подобной ситуацией: в 2018 году компания заявила о создании этих частиц, но позже была вынуждена отозвать свое заявление.
Google также активно работает над квантовыми вычислениями. В декабре компания представила новый чип Willow, использующий “трансмоны” – особый тип сверхпроводниковых кубитов, впервые предложенный в 2007 году. Этот процессор содержит 105 кубитов, но для создания полноценно работающей квантовой машины, способной выполнять полезные вычисления, требуется около миллиона кубитов. Своё скептическое мнение по поводу технологии высказал даже Марк Цукерберг, что привело к падению акций компаний, занимающихся квантовыми разработками.
К концу февраля Amazon также сделала громкое заявление, представив квантовый чип Ocelot с девятью кубитами. Он использует фотонные “кошачьи” кубиты, названные так в честь знаменитого мысленного эксперимента Шрёдингера. Эти кубиты демонстрируют повышенную устойчивость к ошибкам, однако их практическое использование пока ограничено.
Существуют и другие подходы. Например, некоторые компании предлагают использовать одиночные ионы (например, кадмиевые ионы) в качестве кубитов, либо применять фотоны внутри лазерных импульсов. Все эти технологии пока остаются на стадии экспериментов.
За последнее десятилетие индустрия квантовых вычислений достигла значительного прогресса, но говорить о полноценной квантовой революции пока рано. Скептики опасаются, что эта область повторит судьбу управляемого термоядерного синтеза – технологии, которая теоретически возможна, но на практике постоянно остается “всего лишь 20 лет до прорыва”.
Различные подходы к созданию квантовых компьютеров, все еще находящиеся в стадии исследований, свидетельствуют о том, что эта область науки переживает подростковый возраст. Однако громкие пресс-релизы и растущий интерес со стороны инвесторов создают риск очередного технологического пузыря – особенно на фоне того, что ажиотаж вокруг искусственного интеллекта постепенно сходит на нет.
Автор статьи вспоминает, как впервые писал о квантовых компьютерах в 1997 году, когда в журнале Science была опубликована идея создания квантового компьютера в кофейной чашке с использованием ядерно-магнитного резонанса. Спустя 27 лет IBM-овский ученый Дэвид ДиВинченцо, сказавший тогда “Между нами и работающим квантовым компьютером лежит множество физики”, оказывается по-прежнему прав.