Главной технологической историей века до сих пор было массовое появление генеративного искусственного интеллекта, который управляет невероятными возможностями таких систем, как ChatGPT, и быстро впитывается в нашу повседневную жизнь.
Будь то имитация человеческого творчества, выступление в роли сочувствующего советника или устранение канцелярской рутины, генеративный ИИ обеспечил беспрецедентный всплеск интереса к его потенциальной пользе.
Наряду с этим вызывают обеспокоенность возможные негативные последствия: катастрофическая потеря рабочих мест, широкое распространение дезинформации и даже — на самом страшном конце шкалы — вымирание человечества. Как бы далека ни казалась последняя возможность, самые шокирующие заголовки сегодняшних новостей об ИИ могут вскоре отойти на второй план.
В ожидании находится технология, способная затмить темпы изменений, представленные революцией GPT, технология, которая также может дать ИИ ракетное топливо, необходимое ему для прогресса от просто сенсационного к массово, универсально трансформирующему: квантовые компьютеры.
Как только они заработают, квантовые компьютеры экспоненциально увеличат скорость обработки, что, в свою очередь, значительно улучшит наше понимание мира, от сложных молекулярных структур вещей (то есть химии практически всего) до того, как системы (такие как экономика, передвижение людей в городах, погода) взаимодействуют друг с другом, казалось бы, бесконечным и непредсказуемым образом.
Затем может быть проложен путь к излечению таких заболеваний, как рак и болезнь Альцгеймера, или к созданию чистой энергии с планетарно спасительными последствиями для окружающей среды. Золотое обещание квантовых компьютеров просто слишком замечательно, чтобы ему противиться.
Более того, квантовые компьютеры — естественное дополнение к ИИ. Там, где ИИ привносит способность к самосовершенствованию и обучению на своих ошибках, квантовые компьютеры добавляют скорость и мощность.
Главный исполнительный директор Google Сундар Пичаи сказал: «ИИ может ускорить развитие квантовых вычислений, а квантовые вычисления могут ускорить ИИ», закладывая партнерство, которое обещает сделать для искусственного интеллекта то, что Леннон и Маккартни сделали для популярной музыки.
На протяжении десятилетий интеллектуальные машины томились в «зиме ИИ»: они сумели победить людей в шахматы и викторины, но слишком быстро были переоценены и не оправдали своего полного потенциала.
Недавние и стремительные разработки в области генеративного ИИ, начиная с середины 2000-х годов, являются для многих признаком того, что для машинного обучения наконец наступила весна.
Такая же картина прогресса вскоре может оказаться верной и для квантовых компьютеров, которые могут представлять собой «одно из самых грандиoзных достижений науки и техники в этом тысячелетии — веху человеческой изобретательности и стремления к знаниям», — говорит профессор Джулио Чирибелла, директор Инициативы по квантовой информации и вычислениям в Университете Гонконга.
Миллиарды долларов тратятся во всем мире частным сектором и правительствами, чтобы это произошло (с середины 1980-х годов оценочные инвестиции Китая в квантовые компьютеры составили около 25 миллиардов долларов США), но это будет нелегко.
Создание полноценного квантового компьютера — очень сложная задача, потому что квантовые компьютеры совершенно не похожи на смартфоны, ноутбуки, настольные компьютеры или даже корпоративные суперкомпьютеры — собирательно «классические компьютеры», — которые сформировали сегодняшний цифровой ландшафт и на которых мы полагаемся.
Вместо обычных «битов» (двоичных цифр: наименьших единиц информации) в классическом компьютере квантовые компьютеры построены на «кубитах» (квантовых битах).
В то время как биты можно описать как переключатели, которые либо включены, либо выключены, благодаря фундаментально странной природе квантовой физики — области неопределенности и вероятности — кубиты могут быть одновременно включены и выключены, а также в огромном количестве промежуточных состояний.
Это звучит невозможно, но именно так ведут себя субатомные частицы, а кубиты сделаны из атомов и субатомных частиц.
Учитывая масштаб и туманную природу кубитов, их чрезвычайно сложно использовать контролируемым и воспроизводимым способом. Поэтому, настаивает Чирибелла, «построение реального квантового компьютера по-прежнему представляет собой колоссальную проблему».
Поскольку кубиты по своей природе хрупки, их необходимо изолировать от любого внешнего воздействия, будь то наблюдение или взаимодействие с близлежащими частицами.
Как только нарушена целостность, кубиты переходят в состояние «декогеренции» и становятся — на сленге квантовой лаборатории — «шумными».
Решение этой проблемы шума — одна из основных трудностей, с которыми сталкиваются ученые в области квантовых компьютеров. Один из подходов к укрощению изменчивых кубитов — держать их при температуре близкой к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию/минус 460 градусов по Фаренгейту, примерно как в самом холодном месте космоса), где они более стабильны. Вот почему конструкции, окружающие их, напоминают гигантские латунные люстры: эти поразительные взаимосвязанные трубы — это просто охлаждающее оборудование.
Учитывая такие требования, можно с уверенностью предположить, что в ближайшее время никто не возьмет квантовый ноутбук на работу, — но в лаборатории уже начинают проявляться проблески огромного потенциала квантовых компьютеров.
Конечная цель — экспоненциальное увеличение скорости и мощности по сравнению с классическими компьютерами, которые обрабатывают информацию линейным способом. Отдельные квантовые компьютеры, напротив, предназначены для выполнения множества вычислений параллельно, одновременно.
Конечно, можно объединить несколько классических компьютеров для работы параллельно, но ни одна такая конфигурация не сможет превзойти по скорости единственный мощный квантовый компьютер. Сложные вычисления, на которые классическим суперкомпьютерам потребовались бы тысячи лет, теоретически могут быть выполнены квантовыми компьютерами за считанные минуты.
Чтобы понять, как это возможно, и осознать потенциальное воздействие квантовых компьютеров, будет полезно немного познакомиться с квантовой физикой.
Первые проблески в менее чем микроскопический мир квантовой механики пришли из математики и мысленных экспериментов Альберта Эйнштейна, Нильса Бора, Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга, среди прочих, в первой половине XX века.
Реальность, которую они описали, была почти невозможна для понимания, даже по их собственному признанию.
В своей книге 1992 года «Мечты об окончательной теории» покойный автор и физик Стивен Вайнберг считает совершенно оправданным использование фантастической вагнеровской мифологии для описания идей, предлагаемых квантовой теорией: «Часто мы чувствовали себя, как Зигфрид, отведавший крови дракона, когда он с удивлением обнаружил, что может понимать язык птиц».
Тот факт, что один из ведущих ученых мира нашел квантовый взгляд на мир настолько волшебным, дает некоторое представление о его чудесной привлекательности и потенциале.
Без этого не обойтись: квантовый мир глубоко странен и контринтуитивен. Это потому, что поведение вещей на субатомном уровне глубоко странно и контринтуитивно.
Идея «часового механизма» Вселенной, выдвинутая Исааком Ньютоном и его классической доэйнштейновской механикой, казалась относительно логичной и доступной. Квантовый взгляд на реальность гораздо более сложен и менее интуитивен, чем ньютоновская версия, но это то, с чем нам приходится мириться.
«Природа не классическая, черт возьми», — провозгласил физик Ричард Фейнман в 1981 году, когда мысли о применении квантовой теории к вычислениям впервые были серьезно рассмотрены.
Чтобы понять туманную квантовость природы, Фейнман предполагал, что нам потребуется новый вид компьютера: квантовый.
Два самых странных аспекта квантовой механики — суперпозиция и запутанность — играют решающую роль в квантовых вычислениях.
Квантовая суперпозиция придает кубитам их качество «включено и выключено одновременно», без чего не было бы квантовых компьютеров, а квантовая запутанность дает квантовым компьютерам их колоссальную мощность, усиливая вычислительные возможности до экспоненциальных уровней по сравнению с классическими компьютерами.
Оба этих свойства чрезвычайно странны по сравнению с миром, который мы видим вокруг нас. Суперпозиция, которая связана с измерением и наблюдением частиц, породила ряд колоритных мысленных экспериментов, самым известным из которых является Кот Шрёдингера (названный в честь вышеупомянутого Эрвина), заключенный в ящике, невидимый, теоретически живой и мертвый одновременно.
Таким образом, возникает парадокс, и никто точно не знает, что происходит с запутанностью, даже самые умные физики, потому что она предполагает, что пара частиц может иметь свойство, которое объединяет их в один объект, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся: одна может быть здесь, на Земле, другая — где-то на далекой стороне вселенной, не имеет значения, они по-прежнему соединены воедино.
Даже Эйнштейну было трудно поверить в запутанность, он назвал ее «призрачным действием на расстоянии», но за столетие после ее открытия эксперимент доказал реальность запутанности.
Благодаря доказанным эффектам суперпозиции и запутанности идея квантового компьютера входит в область возможного, по крайней мере, в теории.
Однако для создания квантового компьютера в реальном мире требуется гораздо больше, чем просто знание квантовой механики, и самый большой прорыв к практической квантовой машине — своего рода озарение — произошел в математике и революционных алгоритмах, разработанных Питером Шором, профессором прикладной математики Массачусетского технологического института (MIT).
Алгоритмы — это наборы правил, позволяющие компьютерам выполнять вычисления, и в 1994 году Шор написал один из них — увековеченный как «алгоритм Шора», — который, по сути, обеспечил инструкции для квантовых компьютеров, о которых говорил Фейнман.
Другими словами, он написал программное обеспечение, вокруг которого можно было спроектировать квантовое оборудование, и тем самым дал старт гонке за полезное квантовое устройство в реальной жизни.
Юнгсанг Ким — сооснователь и главный технический директор IonQ, чья миссия — построить «лучшие в мире» квантовые компьютеры, — погружен в проблемы создания и контроля кубитов на протяжении почти двух десятилетий.
«Грязный маленький секрет кубитов заключается в следующем: вы можете иметь столько кубитов, сколько захотите, но кубиты — это не квантовые компьютеры, точно так же, как кремний или песок, который вы находите на пляже, — это не компьютер», — говорит он.
«Во-первых, вы должны иметь возможность сказать компьютеру, что делать. Во-вторых, он должен надежно давать вам правильный ответ. Проблема в квантовых вычислениях заключается в том, что ошибки по-прежнему велики.
«Таким образом, когда вы действительно поручаете своему квантовому компьютеру выполнить конкретный расчет, ваше аппаратное обеспечение не идеально, и в какой-то момент в нем преобладает шум, и он просто будет делать случайные вещи.
Когда квантовый компьютер делает случайные вещи, не имеет значения, сколько у вас кубитов, вы получите мусор на выходе».
Решение проблемы мусора кубитов, однако, относительно простое: исправление ошибок. По большинству оценок около 90% вычислительной мощности любого квантового компьютера должно быть направлено на исправление ошибок кубитов.
Хорошая новость для ученых в области квантовых компьютеров заключается в том, что, при наличии правильных алгоритмов, это вполне возможно. «Ключевая идея заключается в том, что вам не нужно беспокоиться об этом, — говорит Спирос Михалакис, физик-математик из Института квантовой информации и материи — части Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене.
«Все, о чем вам нужно беспокоиться, — это еще один более простой алгоритм с дополнительными ресурсами, который мы называем квантовой коррекцией ошибок, потому что вы находите ошибки, исправляете их и затем продолжаете вычисления».
IonQ, считающаяся одним из фаворитов в гонке за полезный квантовый компьютер, использует так называемый «захваченный ион» — подход к кубитам, при котором атомы редкоземельного элемента (иттербия) захватываются и удерживаются на месте электромагнитными полями.
«Теперь нам просто нужно продолжать инновации, чтобы это масштабировалось», — говорит Ким, который надеется добиться измеримого прогресса «к середине этого десятилетия».
Даже если его методы окажутся успешными, ему придется столкнуться с жесткой конкуренцией — подход IonQ с использованием захваченных ионов является одним из нескольких подходов к квантовым вычислениям, каждый из которых делает ставку на разные типы аппаратного обеспечения и полагается на разные разновидности кубитов.
Как объясняет профессор космологии Эндрю Понтцен в своей новой книге «Вселенная в коробке»: «Конкретное оборудование практически не имеет значения — оно может базироваться на атомах, свете, сверхпроводящих металлах или чём угодно еще, проявляющем квантовое поведение».
Так называемые машины со сверхпроводящими кубитами, которые разрабатывают ряд известных компаний — включая Amazon Web Services, Google, IBM, Intel, Alibaba и Baidu — привлекли внимание, потому что аппаратное обеспечение включает те люстроподобные охлаждающие конструкции, которые предназначены для укрощения нестабильных кубитов.
«Крошечный чип, содержащий кубиты, вы едва можете разглядеть невооруженным глазом», — говорит Михалакис.
«Все остальное предназначено для того, чтобы охладить чип так, чтобы он оставался квантовым и не подвергался воздействию окружающей среды».
Физик-теоретик Алексей Китаев независимо разработал совершенно иной подход к кубиту — топологические квантовые вычисления — и Майкрософт использовала это в качестве краеугольного камня собственных квантовых амбиций.
Какой бы из этих методов первым ни достиг успеха, или если лучшее решение для квантового оборудования находится в другом месте, преодоление материальных проблем и допустимости ошибок будет нелегким.
Однако, как только они заработают в полную силу, квантовые компьютеры, по словам Михалакиса, смогут делать «захватывающие дух» вещи. Например, мы могли бы увидеть значительные улучшения в технологии батарей.
И в ожидании своих преимуществ автомобильная промышленность уже сотрудничает с пионерами в области квантовых вычислений.
Daimler заключил партнерство с IBM, Volkswagen — с D-Wave Systems (канадской квантово-вычислительной фирмой), а Hyundai — с IonQ.
«Если вы можете увеличить плотность энергии вашей батареи еще в два, три или четыре раза, то вместо 300 миль (480 км) вы сможете проехать 600 миль и 1200 миль на одной зарядке», — говорит Ким.
«Это фактически начинает переходить тот порог, когда они становятся намного привлекательнее ископаемого топлива. И тогда мы действительно можем повлиять на глобальное потепление и все эти проблемы».
Улучшенное, благодаря квантовым вычислениям, понимание нитрогеназы — бактериального фермента, который превращает азот в аммиак, — могло бы оказать огромное влияние на нашу жизнь, говорит Ким.
«Существует классический способ превращения азота в аммиак, называемый процессом Габера-Боша, на который приходится значительная доля энергии, которую мы генерируем ночью, для производства удобрений.
«Бактерии делают это при комнатной температуре, но мы не понимаем основной динамики этого, потому что это слишком сложно».
«Теперь, если вы действительно сможете получить понимание этого, означает ли это, что мы можем сэкономить 10% потребляемой сегодня энергии, используемой в производстве удобрений? Абсолютно».
Аналогично, тайны секвестирования углерода могут быть раскрыты с помощью квантовых вычислений, что принесет явную пользу усилиям по обращению вспять глобального потепления.
Проектирование лекарств на молекулярном уровне может быть революционизировано, открывая новые пути для вакцин и, например, персонализированного лечения рака.
Нет сомнений: с эффективными квантовыми вычислениями наше понимание химических процессов может стать божественным.
Финансы и инвестиции тоже могут быть революционизированы кубитом. Огромный диапазон факторов, которые производят рыночные колебания, допускают почти бесконечный диапазон возможных результатов, и моделирование этих возможностей было бы относительно простым для квантовых компьютеров.
Прогнозы движения рынка стали бы гораздо точнее. Квантовые компьютеры также были бы естественным решением для задач оптимизации и экономии затрат: «Как я говорю предпринимателям, возьмите любой алгоритм, который вам сейчас нужен для логистики вашего бизнеса, а затем посмотрите, не придумали ли эти теоретики квантовый алгоритм, который может дать вам толчок», — говорит Михалакис.
«Насколько это изменило бы жизнь».
Пока мы находимся в эпохе NISQ — шумной квантовой эре промежуточного масштаба, ожидая прорыва к моменту квантового превосходства, когда квантовый компьютер недвусмысленно продемонстрирует значительное преимущество над классическими компьютерами.
Со своей машиной Sycamore на 53 кубита Google преждевременно заявила о достижении квантового превосходства в 2019 году — все еще фантастический рубеж, согласно Михалакису, — за которым последовали аналогичные заявления от исследователей из Китая в 2020 году.
«Команда во главе с профессором Пань Цзяньвэем из Университета науки и технологий Китая провела прорывной эксперимент, в котором квантовый компьютер на основе света под названием Jiuzhang выполнил вычисления быстрее, чем лучший известный на то время классический алгоритм», — говорит Чирибелла.
«Этот эксперимент достиг ускорения примерно в триллион триллионов раз по сравнению с грубым классическим моделированием. В настоящее время это широко рассматривается как один из основных этапов в поиске квантового превосходства».
В 2021 году Пань применил подход сверхпроводящих кубитов с 66-кубитным квантовым процессором под названием Zuchongzhi, который с тех пор использовался в «ряде интересных приложений для изучения квантовой химии и квантовой материи», объясняет Чирибелла.
Однако до сих пор нет всеобщего признания того, что в квантовых вычислениях наступило полное превосходство. Наблюдатели подчеркивают избирательный характер расчетов, используемых для определения превосходства, и постоянные проблемы исправления ошибок как свидетельство того, что великое наступление эры квантового компьютера было отложено.
«Есть две проблемы с квантовым превосходством, — добавляет Чирибелла. — Одна — достичь его, а другая — быть уверенным, что мы его достигли».
Михалакис, как и большинство экспертов в этой области, практикует терпение. «Мы стараемся заложить в мир ясное понимание, чтобы направить поток восторга от гиперболы к более глубоким, вдумчивым исследованиям», — говорит он.
«Я, по правде говоря, крайний оптимист. Я думаю, что все возможно: вселенная обеспечит все, чего бы вы ни пожелали, но вы должны попросить об этом красиво».
Когда у него спросили, сколько потребуется времени для появления мощного квантового компьютера, гуру алгоритмов Шор склонился к осторожной стороне реализма: «Я думаю, что квантовые компьютеры будут продолжать совершенствоваться, и, возможно, через 20 или 30 лет они будут достаточно большими, чтобы сделать что-то действительно полезное», — говорит он.
«Может быть, если мы будем умными, это не займет столько времени. Но для этого нужно несколько прорывов».
Итак, пока мы ждем следующего озарения, каким выглядит ближайшее будущее квантовых вычислений?
«Я думаю, что многие из этих методологий, по мере того как мы погружаемся в них, окажутся гибридной проблемой», — говорит Ким. «Есть много задач, с которыми классические компьютеры справляются очень хорошо, и нет смысла обращаться к квантовому компьютеру.
«Я думаю, мы должны использовать весь арсенал, который у нас есть в плане классической вычислительной мощности, а затем просто получить толчок — которого классические компьютеры никогда не дадут — с квантовыми».
Одна из вещей, которую многие понимают неправильно, по словам Шора, «заключается в том, что они думают, что квантовый компьютер может делать все, что может классический компьютер, — просто намного, намного быстрее. А оказывается, что ускорить можно только определенные задачи на квантовом компьютере». Отсюда вероятность того рода гибридной дорожной карты, о которой говорит Ким.
Куда эта дорожная карта может нас привести, остается предметом для спекуляций, но все сценарии опираются на баланс обещаний и опасностей, ставших знакомыми с недавним появлением генеративного ИИ.
Например, квантовые компьютеры без труда взломают современные коды шифрования данных и кибербезопасности, и в качестве меры предосторожности уже разрабатываются инструменты для противодействия будущим кибератакам еще не построенных квантовых устройств.
Наоборот, потенциально новые типы ключей шифрования, сгенерированные квантовыми компьютерами, могут быть намного безопаснее современных протоколов. Поэтому то, как успех в области квантовых технологий повлияет на состояние вычислительного превосходства, будет зависеть от времени и места его наступления.
Блеск обоюдоострого меча также вспыхивает, когда мысли обращаются к ожидаемому партнерству между квантовыми вычислениями и ИИ.
С одной стороны — темные воды экзистенциальной угрозы; с другой — как пишет физик-теоретик Митио Каку в своей последней книге «Квантовое превосходство» — обещание светлого будущего, основанного на сверхчеловеческом интеллекте: «ИИ обладает способностью обучаться новым, сложным задачам, а квантовые компьютеры могут обеспечить вычислительную мощь, которая ему нужна.
«Фактически, их слияние может революционизировать каждую отрасль науки, изменить наш образ жизни и радикально изменить экономику.
ИИ даст нам возможность создавать обучающиеся машины, которые смогут начать имитировать человеческие способности, в то время как квантовые компьютеры могут обеспечить вычислительную мощность, чтобы, наконец, создать разумную машину».
Знаменательно, что в июне этого года Пань и его команда объявили о еще одном достижении для их машины Jiuzhang: в тестах она выполняла определенные виды вычислений, необходимые для ИИ, в 180 миллионов раз быстрее, чем самый быстрый в мире суперкомпьютер.
Даже со всем своим шумом и ошибками, Jiuzhang по-прежнему может давать впечатляющие результаты: причина для большого оптимизма среди тех, кто решительно намерен, наконец, увидеть день, когда они смогут оставить квантовую зиму позади.
До тех пор мы можем занять себя наступлением осознания того, что нечто философски далеко идущее начало просачиваться в наше коллективное сознание из лабораторий квантовых первопроходцев мира.
Для многих физиков и математиков каждый шаг на пути к функциональным и меняющим мир квантовым компьютерам предполагает признание еще более глубокой цели: большего понимания природы реальности.
Это также может означать, что саму природу понимания придется переосмыслить.
«Революция в квантовой физике прямо сейчас — это сделать коперникову перемену точки зрения, — говорит Михалакис, вызывая огромное облако возможностей, заложенных в невероятной сущности кубитов.
«Квантовая физика говорит вам, что вы должны занять все возможные точки зрения, потому что нет фундаментальной истины. Нет фундаментальной точки зрения, которая была бы лучше, чем у кого-либо другого. Они все связаны».
Для Михалакиса это слияние кубитов, математики и философии имеет решающее значение, просвещает и, в нашей квантовой вселенной неизбежно: «В какой-то момент вы понимаете, что было непонимание того, к чему мы должны стремиться как люди. Поиск истины? Это неправильно.
Если нет единственной истины — и если есть только иллюзия общей истины — то вы не должны искать истину. Вы должны стремиться к пониманию».