Митио Каку – Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё (страница 4)

К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры могут иметь в своем составе более 100 кубитов. Это означает, что они в 2¹⁰⁰ раз мощнее суперкомпьютера всего с одним кубитом.

Квантовый компьютер Sycamore компании Google, первым достигший квантового превосходства, способен обрабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный компьютер в подметки не годится подобному квантовому компьютеру.

Коммерческие и научные последствия всего этого громадны. Ставки при переходе от цифровой мировой экономики к экономике квантовой необычайно высоки.

Что ограничивает скорость квантовых компьютеров

Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам сегодня вывести на рынок мощные квантовые компьютеры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобретатель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, способный взломать любой известный шифр?

Проблему, с которой сталкиваются квантовые компьютеры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы необходимо расположить в точности так, чтобы они вибрировали в унисон. Это называется когерентностью. Но атомы – невероятно маленькие и чувствительные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение из внешнего мира – и когерентность батареи атомов может быть нарушена и весь расчет – погублен. Эта невероятная чувствительность и уязвимость и есть главная проблема квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион долларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?

Чтобы минимизировать вредное влияние внешнего мира, ученые при помощи специального оборудования понижают температуру до значений, близких к абсолютному нулю, когда нежелательные колебания почти отсутствуют. Но, чтобы достичь этих температур, требуются особые дорогостоящие насосы и трубки.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой. Мать-природа использует квантовую механику при комнатной температуре без каких бы то ни было проблем. К примеру, чудо фотосинтеза – одного из важнейших процессов на Земле – представляет собой квантовый процесс, который проходит тем не менее при обычной температуре. Матери-природе не нужны целые комнаты экзотических устройств, работающих при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы осуществлялся фотосинтез. По не совсем понятным причинам в природе когерентность может поддерживаться даже в теплый солнечный день, когда возмущения от внешнего мира должны, по идее, порождать хаос на атомном уровне. Если бы мы смогли однажды разобраться, как мать-природа творит свое волшебство при нормальных температурах, мы стали бы, возможно, повелителями квантовых процессов и даже самой жизни.

Революция в экономике

Хотя в краткосрочной перспективе квантовые компьютеры представляют угрозу кибербезопасности государств, в долгосрочной перспективе они имеют громадное практическое значение и способны произвести революцию в мировой экономике, обеспечить более устойчивое будущее и дать старт эпохе квантовой медицины, чтобы лечить ранее неизлечимые болезни.

Существует множество областей, в которых квантовые компьютеры смогут обойти традиционные цифровые машины:

В прошлом богатство означало владение нефтью или золотом.

Теперь оно все чаще измеряется информацией. Если прежде компании просто избавлялись от своих финансовых данных, то сейчас эта информация считается более ценной, чем драгоценные металлы. Но просеивание целой кучи данных может оказаться не под силу традиционному цифровому компьютеру. И здесь на сцену выходят квантовые вычислительные машины, которые способны найти иголку в стоге сена. Не исключено, что квантовые компьютеры смогут проанализировать финансы компании и выделить те несколько факторов, которые не позволяют ей развиваться.

И правда, JPMorgan Chase недавно вступил в партнерство с IBM и Honeywell, чтобы иметь возможность анализировать свои данные, а значит, делать более точные прогнозы финансовых рисков и неопределенностей и повышать эффективность своих операций.

После того как квантовые компьютеры использовали поисковые системы, чтобы выделить из массы данных ключевые значения, встает следующий вопрос: как приспособить их для максимизации определенных факторов, таких как прибыль. По меньшей мере крупные корпорации, университеты и правительственные агентства будут применять квантовые компьютеры, чтобы минимизировать свои расходы и максимизировать эффективность и прибыль. К примеру, чистая прибыль некой компании зависит от сотен параметров, таких как заработная плата, продажи, издержки и так далее, и все они быстро меняются во времени. Задача поиска верного сочетания бесчисленных факторов, чтобы максимизировать прибыль, может перегрузить традиционный цифровой компьютер. Тем временем какая-нибудь финансовая фирма захочет использовать квантовые компьютеры для прогнозирования финансовых рынков, на которых ежедневно заключаются сделки на миллиарды долларов. Именно здесь пригодятся квантовые компьютеры, обеспечивающие вычислительные мускулы для оптимизации финансовых результатов.

Квантовые компьютеры смогут также решать сложные уравнения, выходящие за рамки возможностей цифровых компьютеров. К примеру, инжиниринговые фирмы могут использовать квантовые компьютеры для расчета аэродинамики самолетов и автомобилей, чтобы найти идеальную форму, которая позволит снизить трение, минимизировать расходы и максимизировать эффективность. Правительства могут использовать квантовые компьютеры для прогнозирования погоды, от определения траектории чудовищного урагана до расчета влияния глобального потепления на экономику и наш образ жизни на десятилетия вперед. Ученые могут использовать квантовые компьютеры для поиска оптимальной конфигурации магнитов в гигантских установках ядерного синтеза, чтобы обуздать мощь водородного синтеза и «поместить солнце в бутылку».

Но, возможно, самую большую пользу квантовые компьютеры принесут в моделировании сотен жизненно важных химических процессов. В идеале хотелось бы иметь возможность предсказывать результат любой химической реакции на атомном уровне вообще без использования химикатов, только при помощи квантовых компьютеров. Эта новая отрасль науки – вычислительная химия – определяет химические свойства не путем эксперимента, а при помощи моделирования их в квантовом компьютере. Когда-нибудь это позволит исключить дорогостоящее и занимающее длительное время тестирование. Вся биология, медицина и химия будут сведены к квантовой механике. Это означает создание «виртуальной лаборатории»: здесь с помощью памяти квантового компьютера можно быстро проверять новые лекарства, средства и методы лечения, обходясь без десятилетий проб и ошибок и медленных, трудоемких лабораторных экспериментов. Вместо того чтобы проводить тысячи сложных, дорогих и продолжительных химических экспериментов, можно будет просто нажать кнопку на квантовом компьютере.

Искусственный интеллект (ИИ) обладает особой способностью учиться на ошибках, что позволяет ему выполнять всё более сложные задания. Он уже доказал свою эффективность в промышленности и медицине. Однако один из недостатков ИИ состоит в том, что громадное количество данных, которое он должен обрабатывать, легко может перегрузить традиционный цифровой компьютер. Но способность просеивать горы данных – одна из сильных сторон квантовых компьютеров. Так что взаимное обогащение ИИ и квантовых компьютеров может значительно расширить их возможности в решении любых задач.

Дальнейшее применение квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры способны изменить целые отрасли. Не исключено, к примеру, что именно квантовые компьютеры приведут к тому, что наступит долгожданная солнечная эра. Уже несколько десятилетий футуристы и визионеры предсказывают, что возобновляемая энергия постепенно вытеснит ископаемое топливо и решит проблему парникового эффекта, нагревающего нашу планету. Целые армии таких мыслителей и мечтателей превозносят достоинства возобновляемой энергии.

Но век Солнца все откладывается.

Хотя цены на ветровые турбины и солнечные панели упали, энергия, полученная с их помощью, составляет лишь небольшую долю от мирового производства энергии. Встает вопрос: что случилось?

Любая новая технология в начале своего существования сталкивается с главным препятствием: затратами. После нескольких десятилетий пения осанны солнечной и ветровой энергии рекламщикам и продажникам приходится признать, что она по-прежнему сто́ит в среднем несколько дороже, чем энергия, полученная из ископаемого топлива. Причина ясна. Когда солнце не светит, а ветер не дует, техническое оборудование возобновляемой энергетики попросту простаивает, собирая на себя пыль.

О главном «бутылочном горлышке», затрудняющем приход века Солнца, часто забывают, а это «бутылочное горлышко» не ветряк и не солнечная панель, а аккумуляторная батарея. Мы испорчены тем фактом, что вычислительные мощности растут экспоненциально быстро, и мы подсознательно считаем, что тот же темп развития наблюдается для любой электронной технологии.

Вычислительные мощности резко возросли отчасти потому, что для вытравливания крохотных транзисторов на кремниевом чипе мы можем использовать ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны. Но аккумуляторная батарея – другое дело. Это довольно грубое устройство, где применяется целый набор экзотических химикатов в сложном взаимодействии. Мощность батарей растет медленно; это трудоемкий процесс, где все делается методом проб и ошибок, а не систематическим уменьшением длины волны УФ-излучения, используемого для травления. Более того, энергия, накопленная в аккумуляторе, составляет крохотную долю от энергии, содержащейся в бензине.