Это перевод статьи Михаила Дьяконова «The Case Against Quantum Computing», опубликованной в IEEE Spectrum 15 ноября 2018 года.
Предлагаемая стратегия квантовых вычислений опирается на манипулирование с высокой точностью невообразимо огромным количеством переменных.
Квантовые вычисления — это всё безумие. Кажется, вряд ли пройдёт день без новостей, описывающих необычные вещи, которые обещает эта технология. Большинство комментаторов забывают или просто затушёвывают тот факт, что люди десятилетиями работают над квантовыми вычислениями — и без каких-либо практических результатов, которые можно продемонстрировать.
Нам сказали, что квантовые компьютеры смогут «обеспечить прорыв во многих дисциплинах, включая материаловедение и открытие новых лекарств, оптимизацию сложных искусственных систем и искусственный интеллект». Мы были уверены, что квантовые компьютеры «навсегда изменят нашу экономический, промышленный, академический и общественный ландшафт». Нам даже сказали, что «шифрование, защищающее самые чувствительные данные в мире, скоро может быть взломано» квантовыми компьютерами. Это дошло до того, что многие исследователи в различных областях физики считают необходимым оправдывать любую работу, которую они выполняют, утверждая, что она имеет некоторое отношение к квантовым вычислениям.
Между тем правительственные исследовательские агентства, академические отделы (многие из которых финансируются государственными учреждениями) и корпоративные лаборатории тратят миллиарды долларов в год на разработку квантовых компьютеров. На Уолл-стрит Морган Стэнли и другие финансовые гиганты ожидают, что квантовые вычисления скоро созреют, и они хотят выяснить, как эта технология сможет им помочь.
Это стало чем-то вроде самовоспроизводящейся гонки вооружений, и многие организации, казалось бы, участвовали в гонке, просто чтобы не отставать. Некоторые из топовых технических талантов в мире в таких компаниях, как Google, IBM и Microsoft, упорно работают, и получают обильные ресурсы в своих лабораториях, чтобы реализовать своё видение будущего квантового компьютера.
В свете всего этого, естественно удивляться: «Когда же будут созданы полезные квантовые компьютеры?» По оценкам самых оптимистичных экспертов, это займёт от 5 до 10 лет. Более осторожные предсказывают 20 — 30 лет. (Подобные прогнозы были озвучены, кстати, в течение последних 20 лет). Я принадлежу к крошечному меньшинству, которое отвечает: «Не в обозримом будущем». Проведя десятилетия, проводя исследования в области квантовой физики и конденсированных сред, я развил свой очень пессимистичный взгляд. Он основан на понимании гигантских технических проблем, которые необходимо преодолеть, чтобы когда-либо сделать квантовые вычисления.
Идея квантовых вычислений впервые появилась почти 40 лет назад, в 1980 году, когда русский математик Юрий Манин, который сейчас работает в Математическом институте им. Макса Планка в Бонне, сначала выдвинул это понятие, хотя и в довольно расплывчатой форме. Однако концепция действительно попала на повестку дня только лишь в следующем году, когда физик Ричард Фейнман в Калифорнийском технологическом институте предложил её независимо.
Понимая, что компьютерное моделирование квантовых систем становится невозможным, когда изучаемая система становится слишком сложной, Р. Фейнман выдвинул идею о том, что сам компьютер должен работать в квантовом режиме: «Природа не классическая, чёрт возьми, и если вы хотите сделайте симуляцию природы, вам лучше сделать её квантовомеханической, и это замечательная проблема, потому что это выглядит не так просто», — предположил он. Несколько лет спустя физик из Оксфорда Дэвид Дойч официально описал квантовый компьютер общего назначения, квантовый аналог универсальной машины Тьюринга.
Тема не привлекла большого внимания вплоть до 1994 года, когда математик Питер Шор (сначала в Bell Laboratories, а теперь в Массачусетском технологическом институте) предложил алгоритм для идеального квантового компьютера, который позволил бы факторизовать очень большие числа намного быстрее, чем это можно было бы сделать на обычном компьютере. Этот выдающийся теоретический результат вызвал взрыв интереса к квантовым вычислениям. С тех пор было опубликовано много тысяч научных статей, в основном теоретических, и они по-прежнему выходят всё чаще и чаще.
Основная идея квантовых вычислений заключается в том, чтобы хранить и обрабатывать информацию таким образом, который сильно отличается от того, что делается на обычных компьютерах, основанных на классической физике. Пропуская множество технических деталей, можно с уверенностью сказать, что обычные компьютеры работают, манипулируя большим количеством крошечных транзисторов, работающих по существу как переключатели, которые изменяют состояние между тактовыми циклами компьютера.
Таким образом, состояние классического компьютера в начале любого заданного тактового цикла может описываться длинной последовательностью битов, физически относящихся к физическим состояниям отдельных транзисторов. При использовании N транзисторов для компьютера может быть 2 в степени N возможных состояний. Вычисление на такой машине принципиально состоит в переключении некоторых из её транзисторов между их состояниями «включено» и «выключено» в соответствии с заданной программой.
В квантовых вычислениях классический двухэлементный элемент схемы (транзистор) заменяется квантовым элементом, называемым квантовым битом или кубитом. Как и обычный бит, он также имеет два основных состояния. Хотя множество физических объектов могут разумно служить квантовыми битами, самым простым в использовании является внутренний угловой момент электрона или спин, который обладает своеобразным квантовым свойством иметь только две возможных проекции на любую координатную ось: +1/2 или –1/2 (в единицах постоянной Планка). Для любой выбранной оси вы можете обозначить два основных квантовых состояния спина электрона как ↑ и ↓.
И вот тут вещи становятся странными. Квантовые биты могут находиться не только в этих двух состояниях. Это связано с тем, что спиновое состояние электрона описывается квантовомеханической волновой функцией. И эта функция включает в себя два комплексных числа: α и β (называемые квантовыми амплитудами), которые, будучи комплексными числами, имеют вещественные части и мнимые части. Эти комплексные числа, α и β, каждая имеют определённую величину, и согласно правилам квантовой механики сумма квадратов их модулей должна составлять 1.
А всё потому, что эти два квадрата амплитуд соответствуют вероятности того, что спин электрона находится в основных состояниях ↑ и ↓, когда вы его измеряете. И поскольку это единственные возможные результаты, сумма двух связанных вероятностей должна составлять 1. Например, если вероятность нахождения электрона в состоянии ↑ составляет 0.6 (60 %), то вероятность его нахождения в состоянии ↓ должна быть 0.4 (40 %) — ничего другого не имеет смысла.
В отличие от классического бита, который может быть только в одном из двух его основных состояний, кубит может быть в любом континууме возможных состояний, определяемом значениями квантовых амплитуд α и β. Это свойство часто описывается довольно мистическим и устрашающим утверждением о том, что кубит может существовать одновременно в обоих его состояниях ↑ и ↓.
Да, квантовая механика часто бросает вызов интуиции. Но эта концепция не должна вводить вас в недоумение. Вместо этого подумайте о векторе, расположенном на координатной плоскости X-Y и наклонённом под углом 45 градусов к оси X. Кто-то может сказать, что этот вектор одновременно указывает и в направлениях X, и Y. В некотором смысле это утверждение, но это не очень полезное описание. Описывать кубит как одновременно находящийся в обоих состояниях ↑ и ↓, на мой взгляд, тоже бессмысленно. И тем не менее, для журналистов это стало почти обычным делом, чтобы описывать ситуацию именно так.
В системе с двумя кубитами имеется 2^2 или 4 основных состояния, которые могут быть записаны (↑↑), (↑↓), (↓↑) и (↓↓). Естественно, что два кубита могут быть описаны квантово-механической волновой функцией, которая включает в себя четыре комплексных числа. В общем случае N кубитов состояние системы описывается 2 в степени N комплексными числами, которые ограничены тем условием, что сумма квадратов их модулей должна равняться 1.
В то время как обычный компьютер с N битами в любой данный момент должен находиться в одном из своих 2 в степени N возможных состояний, состояние квантового компьютера с N кубитами описывается значениями 2 в степени N квантовых амплитуд, которые являются непрерывными параметрами (которые могут принимать любое значение, а не только 0 или 1). Это источник предполагаемой мощности квантового компьютера, но также является причиной его высокой хрупкости и уязвимости.
Как же обрабатывается информация на такой машине? Это делается путём применения определённых видов преобразований, называемых «квантовыми вентилями», которые изменяют эти параметры точно и под контролем.
По оценкам экспертов, количество кубитов, необходимых для получения полезного квантового компьютера, который может конкурировать с вашим ноутбуком при решении определённых проблем, составляет от 1000 до 100 000. Поэтому число непрерывных параметров, описывающих состояние такого полезного квантового компьютера в любой момент времени, должно быть не менее 2 в степени 1000, то есть около 10 в степени 300. Это действительно очень большое число. Насколько оно велико? Это намного больше, чем количество субатомных частиц в наблюдаемой Вселенной.
Повторяю: полезный квантовый компьютер должен обрабатывать набор непрерывных параметров, который больше, чем количество субатомных частиц в наблюдаемой Вселенной.
На данный момент в описании возможной будущей технологии заинтересованный инженер теряет интерес. Но мы продолжим. На любом реальном компьютере вы должны учитывать последствия ошибок. В обычном компьютере они возникают, когда один или несколько транзисторов выключены, когда они должны быть включены, или наоборот. Это нежелательное явление может быть учтено при помощи относительно простых методов коррекции ошибок, которые используют некоторый уровень избыточности, встроенный в аппаратное обеспечение.
В противоположность этому, совершенно невообразимо, как держать ошибки под контролем для 10 в степени 300 непрерывных параметров, которые должны обрабатываться полезным квантовым компьютером. Тем не менее теоретики квантовых вычислений сумели убедить широкую общественность в том, что это возможно. Действительно, они утверждают, что то, что называется пороговой теоремой, доказывает, что это можно сделать. Они отмечают, что, как только ошибка на кубит на квантовый вентиль окажется ниже определённого порога, станет возможным неограниченно длительное квантовое вычисление за счёт значительного увеличения количества необходимых кубитов. С этими дополнительными кубитами, как они утверждают, вы можете обрабатывать ошибки, формируя логические кубиты, используя несколько физических кубитов.
Сколько физических кубитов потребуется для каждого логического кубита? Никто не знает, но оценки обычно варьируются от 1000 до 100 000. Таким образом, результат заключается в том, что полезному квантовому компьютеру теперь требуется миллион или более кубитов. И число непрерывных параметров, определяющих состояние этой гипотетической квантовой вычислительной машины, которая уже была более чем астрономической с 1000 кубитами, теперь становится ещё более потрясающей вплоть до смехотворности.
Даже не рассматривая эти невероятно большие числа, отрезвляет то, что никто ещё не понял, как объединить несколько физических кубитов в меньшее количество логических кубитов, которые могут вычислить что-то полезное. И это не то, что было ключевой целью исследований.
В начале 2000-х годов, по просьбе Advanced Research and Development Activity (финансирующего агентства разведывательного сообщества США, которое сейчас является частью исследовательской деятельности Intelligence Advanced Research Projects Activity), команда выдающихся специалистов в области квантовой информации разработала дорожную карту для квантовых вычислений. В ней была определена цель на 2012 год, которая «требует порядка 50 физических кубитов» и «использует множество логических кубитов во всём диапазоне операций, необходимых для отказоустойчивых [квантовых вычислений] для того, чтобы выполнить упрощённый вариант соответствующего квантового алгоритма...» Уже конец 2018 года, и эта способность ещё не продемонстрирована.
Продолжение следует...