О потенциальном влиянии и преобразующей силе квантовых вычислений для будущего технологий и общества.
Квантовые компьютеры используют для вычисления процессы квантовой природы, и потому по мощности легко могут превзойти любой суперкомпьютер на транзисторах. Их появление означает приход новой эры. И дело не только в мощности таких компьютеров, но и в способности решать задачи, непосильные для современных цифровых машин, даже если бы у них в запасе была целая вечность. Цифровые компьютеры оперируют только последовательностями 0 и 1, слишком грубыми для многих тонких задач.
В своей книге Митио Каку, знаменитый физик и автор бестселлеров, рассказывает о том, как новые технологии смогут использовать загадочные эффекты квантовой теории, в том числе существование частиц сразу в нескольких состояниях одновременно и мгновенную передачу информации на огромные расстояния. Квантовая механика описывает реальность, которая бросает вызов нашему традиционному пониманию физического мира. И квантовые компьютеры будут использовать возможности этой невидимой нам реальности.
Конкурирующие компьютерные гиганты соперничают друг с другом за создание самого мощного квантового компьютера в мире. Так, Google в 2019 году создала квантовый компьютер Sycamore, и утверждала, что он за 200 секунд может справиться с такой математической задачей, на которую у цифрового суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет. Институт квантовых инноваций при Китайской академии наук утверждал, что их квантовый компьютер, созданный в 2020 году, в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Лидирующую позицию занял квантовый компьютер Eagle от IBM (2021), с еще большей вычислительной мощностью, чем его предшественники. Ведущие мировые корпорации инвестируют в новую технологию, работая над собственными прототипами, чтобы идти в ногу со временем. Правительства разных стран финансируют исследования в этой области и создают национальные исследовательские центры для работы с квантовыми компьютерами.
Вся наша жизнь так или иначе связана с компьютерами и цифровыми технологиями. В финансовой сфере компьютеры отслеживают транзакции, инженеры-проектировщики применяют компьютеры при создании ракет, небоскребов и мостов. В кино используется компьютерная анимация, фармацевтическая промышленность с помощью компьютеров работает над созданием новых лекарств. Почти невозможно найти часть человеческой жизни, далекой от использования компьютеров. И теперь, когда квантовые компьютеры вот-вот войдут в нашу жизнь, это будет означать приход новой эры.
По закону Мура мощность компьютера удваивается каждые 18 месяцев. Современный смартфон превосходит по мощности компьютеры Пентагона времен холодной войны. Предыдущие технологии устаревают в процессе созидательного разрушения. Митио Каку считает, что закон Мура вскоре перестанет работать, потому что микрочипы уже некуда уменьшать: меньший размер приведет к расплавлению чипа или короткому замыканию. Это означает, что эпоха кремния заканчивается, наступает квантовая эра со всеми ее невероятными возможностями.
Идея 1. И первый древний прообраз компьютера, и современный квантовый компьютер способны моделировать окружающий мир
В 1901 году дайверы подняли с морского дна возле греческого острова Антикитер странный механизм с шестеренками, колесиками и надписями, изготовленный, как выяснилось, между 150 и 100 годами до нашей эры. В 2008 году с помощью рентгеновской томографии и сканирования поверхности с высоким разрешением было установлено, что это древний прообраз современного компьютера, вершина научных знаний древнего мира.
Поворот рукоятки приводил бронзовые колеса и шестеренки в движение. Один набор шестеренок рассчитывал движение Луны и Солнца, другой предсказывал приход следующего солнечного затмения. Надписи на устройстве обозначали движение Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. Возможно, часть, отображающая движение планет в космосе, была утрачена. Древний аналоговый компьютер мог производить вычисления при помощи непрерывных механических движений. Это была попытка смоделировать космос. Можно сказать, что антикитерский механизм — это начало моделирования окружающего мира, а квантовый компьютер — высшая стадия его эволюции.
Обычная физика объясняет видимые законы мира. Квантовая физика исследует мир на уровне космоса и самых малых частиц. Квантовый компьютер для передачи и обработки данных использует квантовую механику, в частности, такие загадочные явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность. Он, в отличие от обычного, оперирует не битами со значениями либо 0, либо 1, а кубитами, которые могут иметь одновременно оба значения, и 0, и 1. В этом его квантовое превосходство над цифровыми компьютерами. Кубит — это наименьшая единица информации в квантовом компьютере, предназначенная для квантовых вычислений.
Если классический процессор в каждый момент может находиться только в одном базисном состоянии, то квантовый процессор находится одновременно во всех. Это называется квантовой суперпозицией. Для вычисления квантовый компьютер использует не классические, а квантовые алгоритмы, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность, при которой кубиты могут быть запутаны друг с другом. Квантовая запутанность может быть у двух и более кубитов, между которыми существует особая корреляция.
Одну из первых моделей квантового компьютера предложил Ричард Фейнман в 1981 году, один из самых известных физиков ХХ века. Именно он заложил основу для квантовой электродинамики — теории взаимодействия электронов с фотонами. Фейнман заметил, что компьютеры со временем становятся все меньше и меньше, и высказал предположение, кто когда-нибудь транзисторы станут размерами с атом. Он считал, что будущее принадлежит крошечным машинам, в которых можно расположить атомы по своему усмотрению.
Еще в школе учитель познакомил Фейнмана с принципом наименьшего действия, который позволял по-новому взглянуть на классическую физику. Катящийся по склону мяч может двигаться вниз бесконечным множеством способов, но путь, которым он движется, только один. Почему он катится именно по нему?