Loe raamatut: «Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё»

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Издано при поддержке Российского квантового центра

Переводчик: Наталья Лисова

Научный редактор: Алексей Рубцов, доктор физ. – мат. наук, профессор РАН

Редактор: Ольга Нижельская

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Анна Тарасова

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Елена Рудницкая, Лариса Татнинова

Верстка: Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке: Getty Images

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Michio Kaku, 2023

All rights reserved. Published in the United States by Doubleday, a division of Penguin Random House LLC, New York, and distributed in Canada by Random House of Canada Limited, Toronto.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

* * *

В книге упоминаются социальные сети Instagram и/или Facebook – продукты компании Meta Platforms Inc., деятельность которой по реализации соответствующих продуктов на территории Российской Федерации запрещена как экстремистская.

Моей любящей жене Сидзуэ

и моим дочерям д-ру Мишель Каку и Элисон Каку

Предисловие к русскому изданию

Физика, которая изучает явления, происходящие в области элементарных частиц, называется квантовой. Многие уравнения классической механики, сформулированные еще Исааком Ньютоном, перестают работать на квантовом уровне. Они хорошо описывают взаимодействия объектов привычных нам размеров и скоростей, но не могут объяснить, как то же самое происходит на уровне элементарных частиц.

Годом рождения квантовой физики можно считать 1900-й, когда немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения нагретых тел, ввел понятие «квант», назвав таким образом минимально возможную порцию излучаемой энергии. Альберт Эйнштейн, исследуя явление фотоэффекта, первым из ученых предположил: сам свет состоит из квантов или фотонов, что противоречило всем представлениям физики XIX в. Так родилась квантовая механика.

Последовавший за созданием квантовой механики период взрывного технологического роста принято называть первой квантовой революцией. Ее основой стало использование коллективных квантовых явлений. В 1930–1940-х гг. начались активные исследования полупроводниковых материалов, свойства которых стало возможно описать с помощью квантовой механики. На основе этих изысканий созданы первые полупроводниковые транзисторы – главные компоненты электроники. В 1954 г. советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали первый квантовый генератор света, или лазер – устройство, управляющее потоком фотонов. С конца XX в. мир находится на пороге второй квантовой революции. Ее ключевое технологическое отличие заключается в управлении индивидуальными квантовыми объектами, например атомами или фотонами.

Сегодня внимание к развитию квантовых технологий во многом связано с идеей квантовых вычислений, или, проще говоря, квантовых компьютеров, которые призваны решить задачи, ранее недоступные человечеству. Идею о возможности использования квантовых эффектов для вычислений впервые высказал американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Спустя 20 лет, в 1980 г., советский математик Юрий Манин описал идею квантовых вычислений. В книге «Вычислимое и невычислимое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи биологической информации с молекул ДНК, он заметил, что для моделирования этого процесса могли бы подойти квантовые устройства.

Сейчас индустрия квантовых вычислений находится на этапе «шумных квантовых процессоров среднего масштаба», то есть систем из сотен кубитов, работающих неустойчиво из-за внешних помех. В ближайшем будущем прогнозируется появление защищенных от ошибок квантовых компьютеров, которые будут существенно эффективнее классических в решении задач с большим количеством переменных, таких как моделирование и оптимизация.

При этом рынок уже учится применять квантовые вычисления. В логистике их используют для маршрутизации транспорта и составления расписаний. В финансах – для оценки рисков, оптимизации инвестиционных портфелей и кредитного скоринга. Компании промышленного сектора проводят эксперименты по использованию квантовых компьютеров для моделирования новых лекарств и сборки геномов, оптимизации энергосетей, разработки новых материалов, аэро- и гидродинамических расчетов.

Появление мощных квантовых компьютеров бесповоротно изменит будущее человечества. За технологическим переворотом придут масштабные изменения в жизни общества и культуре. Какими будут эти изменения, мы пока не представляем, но жизнь точно не останется прежней.

Руслан Юнусов,

сооснователь Российского квантового центра

Часть I
Рождение квантовых компьютеров

Глава 1
Конец эпохи кремния

Революция начинается.

В 2019 и 2020 гг. в мире науки произошли две сенсации. Две группы объявили о достижении ими квантового превосходства – то есть той исторической точки, в которой принципиально новый тип компьютера, известный как квантовый компьютер, может убедительно превзойти по производительности обычный цифровой суперкомпьютер в решении определенных задач. Это возвестило о начале переворота, способного изменить весь ландшафт мира информационных технологий и серьезно повлиять на нашу повседневную жизнь во всех ее проявлениях.

Сначала компания Google сообщила, что ее квантовый компьютер Sycamore способен за 200 секунд справиться с математической задачей, на решение которой самому быстрому суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет. Судя по статье в журнале MIT Technology Review, Google назвала это крупным прорывом. Она сравнила это событие с запуском первого спутника или первым полетом братьев Райт. Это был «порог новой эпохи машин, по сравнению с которыми самый мощный сегодняшний компьютер будет выглядеть как обыкновенные счеты»¹.

Затем Институт квантовых инноваций Китайской академии наук пошел еще дальше. Тамошние ученые заявили, что их квантовый компьютер в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Вице-президент IBM Боб Сутор, комментируя стремительный взлет квантовых компьютеров, заявляет невозмутимо: «Думаю, это станет важнейшей вычислительной технологией текущего столетия»².

Квантовый компьютер называют «предельным», или «абсолютным», компьютером и считают судьбоносным технологическим скачком, несущим кардинальные изменения всему миру. Вместо того чтобы выполнять вычисления на крохотных транзисторах, он проводит их на мельчайших объектах – на самих атомах – и потому способен легко превзойти по мощности наш лучший суперкомпьютер. Квантовые компьютеры могут стать проводниками в совершенно новую эпоху для экономики, общества и нашего образа жизни.

Но квантовый компьютер – нечто большее, чем просто очередная более мощная вычислительная машина. Это компьютер нового типа, способный справляться с задачами, которые цифровые компьютеры не могут решить в принципе, даже за бесконечное время. К примеру, цифровые компьютеры не в состоянии точно рассчитать, как атомы взаимодействуют между собой в процессе важнейших химических реакций, особенно тех, что делают возможной жизнь. Цифровые компьютеры могут считать только на цифровой ленте, состоящей из последовательности нулей и единиц, которые слишком примитивны, чтобы описать тонкие волны электронов, танцующих глубоко внутри молекулы. К примеру, при скучном расчете траектории движения мыши в лабиринте цифровому компьютеру приходится кропотливо анализировать все возможные маршруты один за другим. Квантовый же компьютер одновременно – и в один миг – анализирует все возможные траектории.

Это, в свою очередь, сильно подогрело и без того напряженное соперничество между конкурирующими компьютерными гигантами, каждый из которых стремится как можно скорее создать самый мощный в мире квантовый компьютер. В 2021 г. IBM представила собственный квантовый компьютер под названием Eagle («Орел»), который и занял лидирующую позицию, поскольку обладает большей вычислительной мощностью, чем все предыдущие модели.

Но подобные рекорды похожи на корочку пирога – для того они и создаются, чтобы быть разрушенными.

Если учесть глубокие последствия, которые повлечет за собой эта революция, неудивительно, что многие ведущие мировые корпорации вкладывают в эту новую технологию огромные суммы. Компании Google, Microsoft, Intel, IBM, Rigetti и Honeywell создают прототипы квантовых компьютеров. Лидеры Кремниевой долины понимают, что должны идти в ногу с революционными процессами – или они останутся на обочине.

Компании IBM, Honeywell и Rigetti Computing разместили свои квантовые компьютеры первого поколения в интернете, чтобы раздразнить аппетиты любопытной публики и дать возможность людям впервые познакомиться напрямую с квантовыми вычислениями. Любой человек может испытать квантовую революцию на себе, соединившись с квантовым компьютером через интернет. Так, проект «IBM Q Experience», запущенный в 2016 г., бесплатно предоставляет публике через интернет 15 квантовых компьютеров. Среди их пользователей – компании Samsung и JPMorgan Chase. К настоящему моменту этими компьютерами каждый месяц пользуются уже 2000 человек, от школьников до профессоров.

Весьма активный интерес к этой технологии проявляют и биржи. IonQ первой из крупных компаний, связанных с квантовыми вычислениями, стала публичным акционерным обществом и получила при первичном размещении акций 600 млн долларов. Соперничество на этом рынке настолько жесткое, что новый стартап PsiQuantum, не имеющий ни коммерческого прототипа на рынке, ни каких бы то ни было реальных результатов прошлой деятельности, внезапно взлетел на бирже до 3,1 млрд долларов с возможностью получить 665 млн долларов кредита чуть ли не за один день. Бизнес-аналитики писали, что им редко приходилось видеть подобное – чтобы новая компания сумела так удачно воспользоваться волной лихорадочных спекуляций и сенсационных заголовков и взлететь так высоко.

По оценкам консалтинговой и аудиторской компании Deloitte, объем рынка квантовых компьютеров в 2020-е гг. должен достичь сотен миллионов долларов, а в 2030-е – десятков миллиардов долларов. Никто не знает, когда квантовые компьютеры выйдут на торговые площадки и изменят экономический ландшафт, но прогнозы постоянно пересматриваются в соответствии с беспрецедентными темпами научного прогресса в этой области. Говоря о стремительном развитии квантовых компьютеров, генеральный директор компании Zapata Computing Кристофер Савой и отметил: «Это уже не вопрос о том, будет или нет, а о том, когда будет»³.

Даже Конгресс США проявил острый интерес и желание придать дополнительный импульс развитию новой квантовой технологии. Понимая, что другие державы уже начали щедро финансировать исследования в области квантовых компьютеров, Конгресс США в декабре 2018 г. принял закон о Национальной квантовой инициативе, призванный обеспечить стартовый капитал для запуска и стимулирования новых исследований. В нем предусматривается образование от двух до пяти новых национальных исследовательских центров по квантовой информатике с финансированием 80 млн долларов в год.

В 2021 г. правительство США также объявило об инвестировании 625 млн долларов в квантовые технологии под контролем Министерства энергетики. Кроме того, еще 340 млн долларов в фонд проекта внесли гигантские корпорации, такие как Microsoft, IBM и Lockheed Martin.

Китай и США не единственные страны, использующие правительственные фонды, чтобы ускорить внедрение этой технологии. Правительство Великобритании в настоящее время создает Национальный центр квантовых вычислений, который будет служить хабом для исследований в этой области. Центр должен быть построен в лаборатории Харвелл Совета по науке и технологиям в Оксфордшире. При поддержке правительства Великобритании к концу 2019 г. в стране было основано 30 стартапов, работающих в области квантовых вычислений.

Промышленные аналитики признают, что игра идет не меньше чем на триллион долларов. В этой отрасли чрезвычайно высокая конкуренция и нет никаких гарантий. Несмотря на внушительные технические достижения Google и других компаний в последние годы, до рабочего квантового компьютера, способного решать реальные задачи, еще очень далеко. Нам предстоит проделать массу тяжелой работы. Некоторые критики даже утверждают, что все это может оказаться погоней за миражами. Но компьютерные компании понимают: если они не успеют или не захотят шагнуть в эту дверь, она захлопнется у них перед носом.

Иван Остоджич, один из партнеров консалтинговой фирмы McKinsey, утверждает: «Компаниям в тех отраслях, где квантовые технологии потенциально смогут изменить ситуацию в максимальной степени, следует начинать заниматься ими прямо сейчас»⁴. Такие области человеческой деятельности, как химия, медицина, нефть и газ, перевозки, логистика, банковское дело, фармацевтика и кибербезопасность, нуждаются в масштабных переменах. Остоджич добавляет: «В принципе, квант окажет значимое влияние на все информационные технологии, поскольку ускорит решение широкого спектра задач. Компаниям необходимо обзавестись квантовыми возможностями».

Верн Браунелл, бывший генеральный директор канадской компании квантовых вычислений D-Wave Systems, замечает: «Мы уверены, что вот-вот сможем предоставить мощности, которые нельзя обеспечить с помощью классических вычислений».

Многие ученые считают, что мы в настоящий момент входим в совершенно новую эпоху, и потрясения, связанные с переходом, будут сравнимы с теми, что произошли при появлении транзисторов и микросхем. Компании, не имеющие непосредственных связей с производством компьютеров, такие как автомобильный гигант Daimler (владелец марки Mercedes-Benz), уже вкладывают деньги в эти технологии, полагая, что квантовые компьютеры смогут проложить им путь к новым разработкам в их собственной отрасли. Один из руководителей их конкурента BMW, Джулиус Марсеа, написал: «Мы с большим интересом исследуем преобразующий потенциал квантовых вычислений в применении к автомобильной промышленности и твердо рассчитываем расширить пределы наших инженерных возможностей»⁵. Другие крупные компании, такие как Volkswagen и Airbus, организовали у себя собственные подразделения квантовых вычислений, чтобы изучить, какие технологические сдвиги могут вызвать эти вычисления в их отраслях.

Фармацевтические компании также внимательно следят за всеми нововведениями в этой области, понимая, что квантовые компьютеры, возможно, будут способны моделировать сложные химические и биологические процессы, выходящие далеко за рамки возможностей цифровых компьютеров. Не исключено, что громадные мощности, задействованные в испытаниях миллионов лекарств, когда-нибудь сменятся «виртуальными лабораториями», которые будут испытывать лекарства в киберпространстве. Были опасения, что все это однажды заменит химиков и сделает их ненужными. Но Дерек Лоу, ведущий блог о разработке новых лекарств, замечает: «Речь не о том, что машины заменят химиков. Речь о том, что химики, которые используют машины, заменят тех, кто этого не делает»⁶.

Даже Большой адронный коллайдер возле Женевы в Швейцарии, крупнейшая научная установка в мире, сталкивающая между собой протоны с энергией 14 трлн электронвольт, чтобы воссоздать условия, существовавшие в ранней Вселенной, теперь использует квантовые компьютеры для просеивания громадных массивов данных. За одну секунду они способны проанализировать до триллиона байт информации, сгенерированной примерно миллиардом столкновений частиц. Возможно, когда-нибудь квантовые компьютеры сумеют разгадать тайну рождения Вселенной.

Квантовое превосходство

Еще в 2012 г., когда физик Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института впервые ввел в обращение термин «квантовое превосходство», многие ученые покачали головами. Пройдут десятилетия, если не столетия, подумали они, прежде чем квантовые компьютеры смогут обогнать по производительности цифровой компьютер. В конце концов, вычисления на отдельных атомах, а не на пластинах кремниевых микросхем считались чертовски сложными. Малейшая вибрация или шум может нарушить изящный танец атомов в квантовом компьютере. Но сегодня поразительные заявления о новых достижениях в квантовом превосходстве в клочья рвут мрачные предсказания скептиков. Теперь основное внимание смещается к вопросу о том, насколько быстро будет развиваться эта область.

Толчки, вызванные этими замечательными достижениями, прочувствовали также руководства государственных организаций и секретные разведывательные службы по всему миру. Документы, опубликованные анонимными разоблачителями, показали, что ЦРУ и Агентство национальной безопасности США внимательно отслеживают все происходящее в этой области. Дело в том, что мощность квантовых компьютеров настолько велика, что, в принципе, они способны взломать все известные кибершифры. Это означает, что секреты, тщательно охраняемые правительствами, – особая ценность, поскольку это самая чувствительная информация, – будут уязвимы перед такими кибератаками, как и самые строгие секреты корпораций и даже отдельных людей. Ситуация требует настолько особого внимания, что даже Национальный институт стандартов и технологий США (NIST), определяющий национальную политику и стандарты, недавно выпустил инструкцию, призванную помочь крупным корпорациям и агентствам спланировать неизбежный переход в новую эпоху. NIST уже объявил, что, по его прогнозам, к 2029 г. квантовые компьютеры смогут взломать 128-битное AES-шифрование – шифр, которым пользуются многие компании.

Али Эль-Каафарани, журналист Forbes, отмечает: «Это весьма пугающая перспектива для любой организации, которая хочет защитить какую бы то ни было чувствительную информацию»⁷.

Китайцы потратили 10 млрд долларов на свою Национальную лабораторию квантовой информатики, поскольку твердо настроены стать лидером в этой жизненно важной и стремительно развивающейся области. Государства тратят десятки миллиардов, чтобы усилить охрану своих шифров. Вооружившись квантовым компьютером, условный хакер мог бы, по идее, взломать любой цифровой компьютер на планете, таким образом внося хаос в целые отрасли и даже в вооруженные силы. Вся чувствительная информация может стать доступной любому, кто предложит за нее больше других. Финансовые рынки также могут быть ввергнуты в кризис, если квантовые компьютеры вломятся в святая святых Уолл-стрит. Кроме того, квантовые компьютеры могли бы разомкнуть блокчейн, создавая хаос и на рынке биткойна. По оценкам Deloitte, около 25 % биткойнов потенциально уязвимы для взлома при помощи квантового компьютера.

«Текущие проекты на базе блокчейна, скорее всего, внимательно и нервно следят за продвижением квантовых вычислений»⁸, – делается вывод в докладе CB Insights, ИТ-компании, занятой созданием ПО для обработки данных.

Так что на кону стоит ни много ни мало мировая экономика, неразрывно связанная с цифровыми технологиями. При помощи компьютеров банки Уолл-стрит отслеживают многомиллиардные долларовые транзакции. При помощи компьютеров инженеры проектируют небоскребы, мосты и ракеты. Художникам не обойтись без компьютеров при анимации голливудских блокбастеров. Фармацевтические компании пользуются компьютерами при разработке очередных чудо-лекарств. Дети прибегают к компьютерам, чтобы поиграть с друзьями в новейшие видеоигры. И все мы в решающей степени зависим от сотовых телефонов, когда получаем мгновенно через них новости от наших друзей, знакомых и родственников. Каждому приходилось испытывать приступ паники, когда не можешь найти свой сотовый. В общем, чрезвычайно трудно назвать хотя бы какую-то область человеческой деятельности, в которой компьютеры определяют буквально все. Мы настолько от них зависимы, что, если бы вдруг все компьютеры в мире внезапно прекратили работать, цивилизация погрузилась бы в хаос. Вот почему ученые следят за развитием квантовых компьютеров так внимательно.