Почти год назад, 17 февраля 2014 г., американский журнал Time посвятил свою обложку предмету, который «решит часть сложнейших задач, стоящих перед человечеством». «Каждый экземпляр стоит $10 млн и работает при температуре 237 градусов ниже нуля. И никто не знает, как он на самом деле устроен», - было написано на обложке с изображенным желто-зеленым прямоугольником с прикрепленными к нему проводами и темной сердцевиной - квантовым компьютером.
На официальном сайте канадской компании D-Wave, детищу которой и была посвящена обложка Time, названы несколько ее клиентов. Первый компьютер D-Wave в 2010 г. приобрела компания Lockheed Martin, одна из крупнейших мировых компаний оборонной промышленности, для управления системами контроля полета. Видимо, она осталась довольна результатом - в мае 2013 г. Lockheed Martin приобрела последнюю версию квантового компьютера. Еще один D-Wave работает в совместной лаборатории искусственного интеллекта NASA и Google. Интернет-гиганту он нужен, чтобы улучшить поиск: с его помощью корпорация решает задачи машинного обучения. NASA же квантовый компьютер облегчает поиски за пределами Солнечной системы.
В конце января 2015 г. D-Wave привлекла $23 млн инвестиций, которые она собирается направить на развитие своего продукта, сообщает The Wall Street Journal. За все время существования компания привлекла $138 млн.
D-Wave - это пока всего лишь аналоговый прибор, который использует квантовые эффекты, так что на нем возможно симулировать что-то такое, чего нельзя проделать на обычном компьютере, говорит основатель и гендиректор Acronis Сергей Белоусов. Он может делать определенные вычисления на основе квантовых технологий, но универсальным его назвать нельзя, его возможности сильно ограничены. Разница между ним и универсальным квантовым компьютером - как между логарифмической линейкой и обычным компьютером: с ее помощью можно быстро производить вычисления, но только для очень небольшого круга задач.
D-Wave еще не способен выполнять произвольные квантовые алгоритмы, соглашается с ним гендиректор Российского квантового центра (РКЦ) Рустем Юнусов.
Что это такое
Даже у профессоров Гарварда или нобелевских лауреатов обычно не очень получается ответить на вопрос «Что такое квантовый компьютер?», - говорит Белоусов.
На самом деле это вполне конкретное, хорошо теоретически описанное устройство, самое главное свойство которого в том, что его можно запрограммировать для любых квантовых расчетов, в частности тех, на которые обычный компьютер не способен, объясняет он.
Если обычный компьютер обрабатывает информацию последовательно, то квантовый - параллельно, в этом их принципиальное отличие, объясняет руководитель научной группы РКЦ, профессор экспериментальной физики в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) Алексей Устинов. Причем количество данных, с которыми одновременно может управиться квантовый компьютер, не ограничено, уточняет он.
Дело в том, что вместо обычных битов информации, которые могут принимать значения либо ноль, либо единица, в квантовом компьютере используются квантовые биты (q-биты; кубиты), которые могут быть нулем и единицей одновременно, рассказывает научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова РАН Илья Бетеров. Универсальный квантовый компьютер можно будет считать сколько-нибудь полезным, если в нем будет хотя бы 300 кубитов, считает Белоусов. В D-Wave сейчас 500 кубитов, но он не универсален.
Квантовый компьютер поможет решить те задачи, с которыми не справляются нынешние суперкомпьютеры: моделирование биологических молекул и новых химических веществ, экологии, климата и взаимодействия элементарных частиц, надеется Устинов.
Шанс и угроза
От квантового компьютера ждут решения трех основных задач, рассказывает Белоусов. Первая - алгоритм Шора, раскладывающий большие числа на делители, который позволит взломать почти все популярные криптосистемы, говорит он. Перемножение больших чисел используется в криптографии, время взлома ключа шифрования на обычном компьютере зависит от длины чисел и может достигать времени жизни Вселенной, объясняет Белоусов. А квантовый компьютер сможет решить эту задачу за счет параллелизма.
Вторая задача - алгоритм Гровера, или быстрый поиск по большим базам данных, говорит Белоусов. Именно поэтому квантовым компьютером интересуются Google, Microsoft, Lockheed Martin. Третья задача - моделирование квантовых систем, с чем обычные современные компьютеры не справятся еще около 100 лет, прогнозирует Белоусов. По его словам, это позволит разрабатывать новые материалы - сверхпроводники, прочную сталь, эффективные аккумуляторы.
Но самое главное, по мнению Белоусова, - вслед за появлением универсального квантового компьютера ученые придумают еще тысячи задач, которые на обычных компьютерах считаются нерешаемыми. Поэтому его изобретение несет как возможности, так и опасность, предостерегает он. C одной стороны, он позволит серьезно продвинуться в разработке искусственного интеллекта. С другой - позволит расшифровать засекреченные документы, что Белоусов называет лишь малой из угроз. Он уверен, что появление квантового компьютера сильнее повлияет на ход истории, чем создание ядерной бомбы: та бесполезна, создавалась для разрушения и по большому счету применять ее нельзя, а при помощи квантового компьютера можно решить огромное количество важных задач.
Государство или корпорации?
По оценкам Белоусова, уже сейчас на научные исследования в области квантовых технологий тратятся миллиарды долларов в год, а вложения в одно работающее устройство могут достигать десятков миллиардов долларов.
Квантовый компьютер в основном разрабатывается в университетах США, где исследования зачастую финансирует министерство обороны, говорит Бетеров. Белоусов предполагает, что с квантовым компьютером может повториться история разработки обычного компьютера: он будет создан корпорациями, но при участии государства.
Корпорации работают над теоретической разработкой алгоритмов, чтобы при появлении квантового компьютера сразу получить пользу (такие подразделения есть у Google, NASA, Microsoft), поясняет Юнусов из РКЦ. Он считает, что прототип квантового компьютера будет создан в научно-исследовательских лабораториях, но до коммерческого продукта его будут доводить корпорации.
Квантовый компьютер станет коммерческим продуктом, как только превзойдет по эффективности обычные компьютеры, полагает Устинов. По его мнению, рабочие прототипы могут появиться через 5−10 лет. Такими компьютерами заинтересуются IT-компании, работающие над новыми алгоритмами и с большими массивами данных, говорит Устинов, а Юнусов прогнозирует революцию в биомедицине, энергетике, материаловедении. А вот компаниям, зарабатывающим на системах безопасности и шифрования, появление квантового компьютера повредит, говорят опрошенные «Ведомостями» эксперты. Кроме того, может ухудшиться положение компаний, бизнес которых зависит от стойкой криптографии, например онлайн-банкинга и всей отрасли электронной коммерции.
Российские кубиты
В борьбе за место на мировом рынке большинство российских IT-продуктов зачастую оказывается в роли догоняющего. Но Устинов уверен, что в погоне за квантовым компьютером у России как раз есть преимущество. Россия сильна фундаментальной физикой, но мало кому известно, что речь идет именно о квантовой физике, говорит он. По словам Устинова, большинство российских нобелевских лауреатов так или иначе связано с квантовыми исследованиями. По его оценке, треть всех ученых в мире, занимающихся квантовой физикой, - русскоговорящие.
В 2013 г. РКЦ и лаборатория сверхпроводящих метаматериалов Московского института стали и сплавов смогли измерить первый в России кубит, что Устинов называет первым шагом к созданию квантового компьютера. Отрыв от зарубежных исследовательских групп невелик - в 2013 г. они демонстрировали работающие схемы из трех кубитов, а сейчас это число увеличилось до пяти. В 2014 г. РКЦ и научная группа Устинова в Германии опубликовали результаты эксперимента, где исследовалась система из 20 кубитов.