Говорят, что мир не всегда можно разделить на «да» и «нет», хорошее и плохое, черное и белое. Говорят, что, если не сработал план А, можно подумать обо всех остальных буквах алфавита. Возможно, разработчики концепции квантовых вычислений рассуждали примерно в том же ключе. Ведь в своих моделях они не ограничиваются только до боли знакомыми ноликами и единичками, но используют гораздо более сложные элементы — кубиты. Давайте разберемся, что такое кубиты, есть ли у них будущее, почему многие компании и правительства рассматривают развитие квантовых вычислений как один из своих главных приоритетов и какое это все имеет отношение к реальной жизни обычных людей.
Что же такое кубит? Как и обычный бит, кубит — это наименьший элемент для хранения информации в вычислительном устройстве, только вот кубиты используются в квантовых компьютерах, а биты — в обычных. В компьютере, с помощью которого вы, возможно, сейчас читаете эту статью (а также телефоне, планшете, ноутбуке, часах), вся информация хранится в виде огромного количества нулей и единиц — своего рода атомов цифрового пространства. Все в компьютере так или иначе сводится именно к ним. Но что, если выйти за рамки двух вариантов и хранить не нули или единицы, а некий элемент, который может существовать в странном промежуточном состоянии, так называемой суперпозиции состояний 1 и 0? Именно так происходит с кубитами.
Но чем же замена 0/1 на что-то более сложное может улучшить мою жизнь, спросите вы. В конце концов, мне, как пользователю, не важно, какой именно алгоритм использует мой компьютер, мне важен результат — быстрая работа, удобство, качество и точность вычислений. Может показаться, что биты и кубиты — это просто какие-то технические детали, интересные только программистам в растянутых футболках и шлепанцах поверх белых (или не очень) носков. Но на самом деле, такая мини-революция — отказ от фиксированных ноликов и единиц — влечет за собой принципиальные изменения огромного масштаба. Практическую пользу от них, конечно, в полной мере можно будет ощутить только в будущем, но уже сейчас перспективы впечатляют.
Как уже говорилось выше, мы живем не в черно-белом мире. Наш мир многоцветен и очень сложен, классическими алгоритмами и моделями его не описать. И именно здесь на помощь приходят квантовые компьютеры. По своей природе они как нельзя лучше подходят для моделирования сложных систем со множеством компонентов и высокой степенью неопределенности. Например, высокомолекулярных белковых соединений или химических реакций. Если ученые научатся создавать точные модели того, что происходит с реальными веществами и соединениями, это станет настоящей революцией в науке о материалах, фармацевтике, медицине и множестве других сфер.
Квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи не просто быстрее обычных машин, а принципиально по-другому. И здесь под «быстрее» понимается не пара минут ожидания, как при загрузке веб-страницы. Нет. «Быстрее» в огромное число раз: задачу, на которую обычный компьютер потратил бы миллионы лет, квантовый компьютер вполне может выполнить за секунды. Такой задачей может быть не только какой-то сложный криптографический алгоритм, а даже такая привычная операция, как построение кратчайшего маршрута через ряд заданных точек. Конечно, любой навигатор уже сейчас может довести вас из точки А в точку Б, но, во-первых, он тоже делает это только с определенной степенью точности, а во-вторых, это задача для одного независимого путешественника. А если мы говорим про сложную логистическую систему с множеством взаимосвязанных игроков и пунктов назначения? Совсем другое дело!
Революция в финансах, медицине, логистике, промышленности — звучит как отличная идея для стартапа. Однако, вероятно, одному стартапу тут не справиться. Дело в том, что прогресс в развитии квантовых компьютеров зависит не от одной гениальной идеи и красивого дизайна, а от постепенного продвижения вперед во множестве разных сфер: от работы над лазерами (необходимыми для создания определенного типа кубитов) до криогеники (поскольку для работы квантовых компьютеров нужно поддерживать очень низкую температуру окружающей среды). Кроме того, стартапы обычно добиваются успеха в тех сферах, где можно вложенные средства быстро окупаются или где средств нужно вкладывать не так много. В квантовых вычислениях все не так: вкладывать нужно много и никто не знает, когда вложения действительно окупятся.
Тем не менее, сложно переоценить важность развития данной сферы для отдельных компаний и целых стран. Квантовые компьютеры в каком-то смысле можно сравнить с космической программой, строительством Китайской стены или избавлением от лишних килограммов: сначала ты долго и упорно работаешь, вкладываешь много сил и энергии, а результаты не особенно заметны. Зато потом, по прошествии времени, если продолжить работать и не отказаться от своих намерений, можно добиться потрясающих результатов.
Крупные корпорации понимают это, ведущие инвесторы понимают это, и правительства разных стран тоже понимают это. На сегодняшний день разработками в сфере квантовых компьютеров так или иначе занимаются IBM, Microsoft, Google, Hewlett-Packard, Amazon. В России, США, Китае и многих других странах есть государственные исследовательские лаборатории. Как и в сфере технологий искусственного интеллекта, специализированные машины, созданные для решения тех или иных частных задач, уже есть. IBM даже предоставляет всем желающим бесплатный облачный доступ к свой платформе квантовых вычислений . Однако универсального квантового компьютера пока не существует, и вполне возможно, пройдет еще не одно, не два и даже не три десятилетия, прежде чем он станет реальностью.
Говоря о квантовых компьютерах, часто упоминают знаменитого кота Шрёдингера, который служит наглядным примером, помогающим понять одну из основополагающих концепций квантовой механики. В этом мысленном эксперименте мы не знаем, что происходит с котом. Он находится в стальном ящике, в который также помещены атом радиоактивного элемента и колба с кислотой. Как только радиоактивный элемент распадется, разобьется колба с кислотой. Тогда кот погибнет. Однако никто не знает, когда это произойдет, и только открыв ящик, мы увидим, жив кот или мертв, узнаем его судьбу. До этого кот и жив, и мертв одновременно: он находится в так называемой «суперпозиции» состояний.
Сами квантовые компьютеры сейчас тоже в каком-то смысле закрыты от широкой публики стальным ящиком стен лабораторий, ИТ-компаний и правительственных учреждений. Сфера, определенно, не умерла, время от времени она подает признаки жизни — квантовые компьютеры появляются в новостях, в фильмах, в публикациях. Но какое будущее их ждет? Оправдают ли они все возложенные на них надежды? Изменят ли нашу жизнь? В контексте всех этих вопросов, они, как наш дорогой кот, находятся в суперпозиции состояний, и только открыв стальной ящик в будущем, мы узнаем, какая судьба уготована этим удивительным машинам.
