ИИ-2041. Десять образов нашего будущего

Классические компьютеры оперируют битами — это мельчайшая частица, так сказать, «атом» информации[108]. Бит похож на переключатель — он может быть либо нулем (если выключен), либо единицей (если включен). Каждое приложение, веб-сайт или фотография состоит из миллионов таких битов. Использование двоичных разрядов упрощает представление данных и управление классическими компьютерами, но при этом ограничивает их потенциал для решения действительно сложных задач информатики.

В квантовом компьютере используются квантовые биты, или кубиты; обычно это субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Кубиты «живут» по принципам квантовой механики, их свойства достаточно необычны, их можно даже назвать «суперсвойствами».

Первое из них — суперпозиция, способность кубита находиться в любой момент времени в нескольких состояниях разом. За счет этого несколько кубитов в суперпозиции могут одновременно обрабатывать огромное количество данных.

ИИ, решая задачу победы в компьютерной игре, на классическом компьютере будет перебирать разные ходы и опробовать, «вертеть» их до тех пор, пока не нащупает путь, ведущий к выигрышу. ИИ, построенный на квантовых вычислениях, испробует все ходы гораздо быстрее (а значит, эффективнее), к тому же учтет вероятность ошибки — все это экспоненциально снижает сложность процесса.

Второе необычное свойство кубита — спутывание (взаимозависимость). Два любых кубита в квантовом компьютере всегда взаимосвязаны — и действия, выполняемые над одним, влияют на другой, даже если кубиты сильно удалены один от другого. Благодаря спутыванию каждый кубит, добавленный в квантовый компьютер (это возможно сделать программными методами), увеличивает вычислительную мощность машины в геометрической прогрессии.

Чтобы удвоить мощность классического суперкомпьютера стоимостью 100 миллионов долларов, нужно выложить еще столько же; а удвоить мощность квантового компьютера можно, просто добавив еще один кубит.

Но у этих потрясающих свойств есть, естественно, и обратная сторона. Квантовый компьютер чрезвычайно чувствителен — на него влияют мельчайшие сбои техники («железа») и даже изменения окружающей среды. Вибрации (от проходящего неподалеку трамвая), электрические помехи, перепады температуры или магнитные волны могут ослабить суперпозицию или даже ликвидировать ее.

Для постройки работоспособного и расширяемого квантового компьютера предстоит придумать новые технологии и создать беспрецедентные вакуумные камеры, сверхпроводники и суперохлаждающие холодильники — только так можно минимизировать потери квантовой когеренции[109] (результат декогеренции) из-за влияния окружающей среды.

Ученым удалось увеличить количество кубитов, затратив, правда, очень много времени; в 2020 году их стало 65 — против двух в 1998-м. Но их пока по-прежнему слишком мало, чтобы сделать что-нибудь действительно полезное для человечества[110]. Однако и на нескольких десятках кубитов некоторые вычислительные задачи идут в миллионы раз быстрее, чем на классических компьютерах.

В 2019 году Google продемонстрировала нам это «квантовое превосходство»: 54-кубитный квантовый компьютер за считаные минуты решил задачу (правда, совершенно бесполезную — «экспериментальную»), на которую у классических компьютеров ушли бы годы.

Так когда же у нас будет достаточно кубитов, чтобы решать реальные проблемы, а не просто устраивать эффектные демонстрации? И сколько их, кстати, вообще нужно для получения практической пользы?

Согласно дорожной карте IBM, в течение последующих трех лет количество кубитов будет увеличиваться более чем вдвое каждый год, и к 2023 году мы можем получить процессор на 1000 кубитов. А поскольку 4000 логических кубитов[111] должно быть достаточно для некоторых полезных применений, оптимисты прогнозируют, что в действительности (не в лабораториях) квантовые компьютеры появятся лет через пять-десять.

Однако эти оптимисты упускают из виду некоторые весьма серьезные проблемы. Специалисты из IBM признают: контроль ошибок, вызванных декогеренцией, ухудшается по мере добавления кубитов. Справиться с этим поможет сложное тонкое оборудование, для которого потребуются новые технологии и прорыв в точном машиностроении.

А еще из-за ошибок декогеренции необходимо, чтобы каждый логический кубит был представлен множеством кубитов физических — это должно обеспечить стабильность, коррекцию ошибок и отказоустойчивость системы. По оценкам специалистов, для обеспечения эффективности в 4000 логических кубитов, скорее всего, потребуется не менее миллиона физических. Так что даже когда публике предъявят первый полезный квантовый компьютер, массовое производство подобной техники еще долгие годы будет серьезной проблемой.

К тому же код для квантовых компьютеров совсем не похож на код для «классики», поэтому предстоит создать новые инструменты программирования.