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.
Что движет всей этой суетой и спорами?
Резкий скачок квантовых технологий – признак того, что эра кремния потихоньку подходит к концу. На протяжении полувека взрывной рост мощности компьютеров описывался законом Мура, получившим свое название по имени основателя Intel Гордона Мура. Закон Мура гласит, что мощность компьютеров удваивается каждые полтора года. Этот обманчиво простой закон описывает замечательный экспоненциальный рост мощности компьютеров, не имевший прецедентов в истории человечества. Никакое другое изобретение не оказало подобного всеохватного влияния за такой короткий промежуток времени.
Компьютеры на протяжении своей истории прошли множество этапов развития, всякий раз многократно повышая свою мощность и вызывая серьезные социальные изменения. Если разобраться, то закон Мура можно распространить и на прошлое, вплоть до XIX в., до эпохи механических вычислителей. В то время инженеры для простых арифметических операций использовали вращающиеся цилиндры, штырьки, шестеренки, колесики. К началу прошлого века в этих вычислителях начали использовать электричество, заменяя шестеренки на реле и кабели. Во время Второй мировой войны компьютеры использовали целые батареи вакуумных электронных ламп, чтобы взламывать секретные правительственные шифры. В послевоенную эпоху произошел переход с радиоламп на транзисторы, которые можно было уменьшать до микроскопических размеров, что способствовало дальнейшему повышению скорости и мощности компьютеров.
В 1950-е гг. универсальные вычислительные машины были доступны лишь крупным корпорациям, правительственным агентствам вроде Пентагона и международным банкам. Они были мощными (так, ENIAC способен был за 30 секунд посчитать то, что потребовало бы от человека 20 часов работы). Но при этом они были дорогими, громоздкими и часто занимали целый этаж офисного здания. Появление микросхем произвело настоящую революцию в производстве компьютеров. За прошедшие десятилетия микросхемы настолько уменьшились в размерах, что средний чип размером с ноготь может теперь содержать в себе около миллиарда транзисторов. Сегодня сотовый телефон, на котором ребенок играет в видеоигры, оказывается мощнее целого зала неуклюжих «динозавров», которыми когда-то пользовался Пентагон. Компьютер у нас в кармане превосходит по мощности компьютеры, применявшиеся во время холодной войны, и мы воспринимаем этот факт как нечто само собой разумеющееся.
Все проходит. Каждый шаг к чему-то новому в процессе развития компьютеров приводил к тому, что прежние технологии устаревали. Так работает созидательное разрушение. Повышение мощности классических компьютеров по закону Мура уже замедляется, а со временем может и совсем остановиться. Дело в том, что микросхемы стали уже такими компактными, что толщина самого тонкого слоя транзисторов составляет около 20 атомов. Когда толщина слоя достигает примерно пяти атомов, положение электрона становится неопределенным; утечка таких электронов может вызвать короткое замыкание в чипе или выделить так много тепла, что чип расплавится. Иными словами, если мы будем использовать в микросхемах в первую очередь кремний, то закон Мура должен рано или поздно прекратить действовать, просто по законам физики. Вполне может быть, что мы в настоящий момент являемся свидетелями конца эпохи кремния. Следующим скачком, возможно, станет посткремниевая, или квантовая, эпоха.
Санджей Натараджан из Intel заявил: «Мы считаем, что выжали из этой архитектуры всё, что можно было выжать»{9}.
Не исключено, что Кремниевая долина со временем станет новым «ржавым поясом».
Хотя и кажется сейчас, что все спокойно, рано или поздно это новое будущее наступит. Как утверждает Хартмут Невен, директор Лаборатории искусственного интеллекта Google: «Все выглядит так, будто ничего не происходит, ровным счетом ничего, а потом упс – и ты вдруг оказываешься в другом мире»{10}.
Что делает квантовые компьютеры настолько мощными, что все страны мира спешат овладеть этой новой технологией?
В сущности, все современные компьютеры основываются на цифровой информации, которую можно представить в виде последовательности нулей и единиц. Минимальная единица информации – одна цифра – называется бит. Эту последовательность нулей и единиц скармливают цифровому процессору, который производит расчет и выдает результат на выход. К примеру, скорость вашего интернет-соединения может измеряться в битах в секунду (бит/с); так, один гигабит в секунду (1 Гбит/с) означает, что каждую секунду на ваш компьютер посылается один миллиард бит информации, что обеспечивает вам мгновенный доступ к фильмам, электронной почте, документам и тому подобному.
Однако нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г. увидел и другой подход к цифровой информации. В пророческом новаторском выступлении «Внизу много места» и последовавших за ним статьях он задался вопросом: почему не заменить эту последовательность нулей и единиц состояниями атомов и не сделать атомный компьютер? Почему не заменить транзисторы самым маленьким возможным объектом, атомом?
Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном поле ось их вращения может быть направлена либо вверх, либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два состояния атома можно соотнести с 0 и 1.
Мощность цифрового компьютера напрямую связана с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом компьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы способны также вращаться в любой комбинации двух описанных положений. К примеру, можно получить состояние, в котором ось вращения атома 10 % времени направлена вверх, а 90 % времени – вниз (для краткости можно говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65 % времени вверх, а 35 % – вниз. Мало того, число вариантов вращения атома бесконечно. Это многократно увеличивает число его возможных состояний. Так что атом может нести в себе гораздо больше информации – не бит, а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх» и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному биту информации в каждый момент времени, что ограничивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты, обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт, что на атомном уровне объекты могут существовать одновременно во множестве состояний, называется суперпозицией. (Это означает также, что привычные законы здравого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются. В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться в двух местах одновременно, чего у более крупных объектов не бывает.)
Кроме того, кубиты могут взаимодействовать между собой, что для обычных бит невозможно. Это называется запутанностью. Если состояния цифровых бит независимы, то всякий раз, когда вы добавляете к системе очередной кубит, он взаимодействует со всеми предыдущими кубитами, то есть число возможных взаимодействий удваивается. Из этого следует, что квантовые компьютеры по своей природе экспоненциально мощнее цифровых компьютеров, – ведь каждый раз, когда вы добавляете очередной кубит, число взаимодействий удваивается.
К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры могут иметь в своем составе более 100 кубитов. Это означает, что они в 2100 раз мощнее суперкомпьютера всего с одним кубитом.
Квантовый компьютер Sycamore компании Google, первым достигший квантового превосходства, способен обрабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный компьютер в подметки не годится подобному квантовому компьютеру.
Коммерческие и научные последствия всего этого громадны. Ставки при переходе от цифровой мировой экономики к экономике квантовой необычайно высоки.
Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам сегодня вывести на рынок мощные квантовые компьютеры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобретатель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, способный взломать любой известный шифр?
Проблему, с которой сталкиваются квантовые компьютеры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы необходимо расположить в точности так, чтобы они вибрировали в унисон. Это называется когерентностью. Но атомы – невероятно маленькие и чувствительные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение из внешнего мира – и когерентность батареи атомов может быть нарушена и весь расчет – погублен. Эта невероятная чувствительность и уязвимость и есть главная проблема квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион долларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?
О проекте
О подписке