Квантовите компютри неусетно се превръщат от полет на въображението в технология, която може да промени драстично информационното общество. Всеки по свой начин си дава сметка за главоломното развитие на технологиите и това как през последните десетилетия те промениха живота ни. Докато се обърнем, кубичните компютри с черно-зелени екрани се смениха от светкавични машини, уютно завземащи всяка част от ежедневието. Измервахме паметта им в десетки мегабайти, днес и гигабайтите са ни малко.

С всяка година електронноизчислителните машини, както ги наричахме едно време, стават все по-бързи и ефективни, но може би вече са близо до своя предел и е време за следващата стъпка. А според „пресните“ оценки на учените от IBM от март 2021 г.  новата ера в тази област започва съвсем скоро – през 2023 г.

Квантов преход

Тя е предсказана през 80-те години на миналия век и е на път да се превърне в реалност. Квантовите компютри са една от най-обсъжданите технологични теми през последните години, най-големите компании от айти света са се впрегнали в яростна надпревара за създаването на работещи прототипи.

Законът на Мур гласи, че на всеки две години човечеството ще може да създава процесори с два пъти по-голяма потенциална изчислителна мощ. Формулиран е през 60-те години на ХХ век, до днес се изпълнява без грешка. Вече сме близо до границата на възможностите, дадени ни от познатите технологии. Но както обича да повтаря един известен застъпник на този закон – футуристът Рей Кърцуейл, принципът ще продължи да важи. Просто когато една технология стигне предела си, по естествен път се появява следващата, напълно различна и отваряща нови хоризонти.

Квантовите компютри се раждат като смело хрумване, което в началото звучи като научна фантастика. Днес вече срещат настояще и бъдеще – и вие можете да си купите квантов компютър… но няма да ви излезе евтино.

Снимка: Michael Dziedzic, Unsplash

Битият бит…

И ето че стигаме до тази необяснима котка в заглавието. Коя ли е най-известната мяукаща героиня на науката и попкултурата, която на всичкото отгоре е само метафора? Разбира се, става дума за котката на Шрьодингер. Знаменитият физик създава мисловния експеримент, за да обясни на несведущите колко невъзможна е квантовата механика… преди години по-късно да се окаже, че на пръв поглед абсурдният пример наистина илюстрира чудесно това, което се случва в света на най-дребните неща. Имагинерното животинче разказва накратко цяла една наука: докато то е в кутията, за нас е едновременно живо и мъртво. Така илюстрира основния принцип на квантовата механика – направлението на науката, доказало, че в света на микроскопичните частици властват съвсем различни правила и всяка от тях може да бъде на много места едновременно.

Но какво общо имат с мяукащата знаменитост квантовите компютри? Вероятно знаете, че днешният дигитален свят се крепи на бинарния код. В него ин и ян не се преплитат, защото битовете – най-малките градивни тухлички на информационното ни общество, носят в себе си или нула, или единица. Така и в паметта на компютъра ви, и в „главата“ на високотехнологичната ви микровълнова цялата работа се свежда до много, много дълга поредица от тези две числа, които се превръщат в команди, в картинки, пазят имейлите ви или изграждат съвършените образи на реалистичните компютърни игри.

Това обаче не важи за мистичните машини, темата на днешната ни среща. При квантовите компютри освен толкова важните единички и нули има и… нещо много по-голямо по средата. Ако си представите бита като ключа на лампата, който е или включен, или изключен, тук има и междинно състояние.

Илюстрация: Gerd Altmann, Pixabay

Бит побит

Ин и ян този път се преплитат истински, а тази междинна ситуация, в която може да пребивава информационната единица, се нарича суперпозиция. Едновременно двете крайности, в суперпозиция информационната единица може да комбинира части от на пръв поглед изключващите се противоположности. Време е да опровергаем отдавнашната премъдрост, че няма полубременна жена, щом като има „полунула“ и „полуединица“.

Тези по-различни частици информация се наричат квантови битове или за приятелите – кубитове. Благодарение на тях квантовите компютри „мислят“ по свой собствен начин. Кубитовете могат да носят в себе си комбинация от единица и нула, но също така да се намират и в двете крайности едновременно. И това не е всичко: състоянието на всеки кубит влияе върху останалите в системата, което прави нещата още по-сложни. Но и по-интересни, в това се състои големият им плюс: паралелно се осъществяват квантови изчисления, тоест не е нужно да се опитват едно по едно всички възможни комбинации, които намират решението на даден проблем.

Ква`нт е тая работа?

Така в областите, в които квантовите ни приятели са по-добри, за намирането на отговор на въпрос със 100 възможности ще са нужни 100 кубита, а не сегашните трилиони и трилиони битове. „Класическите компютри са като солов глас – една линия на чисти тонове, която върви напред. Квантовият компютър е като симфония – много тонове, които се допълват и интерферират“, казва проф. Сет Лойд от Масачузетския технологичен институт.

Решителният пробив настъпва, когато през 1995 г. британският физик теоретик Дейвид Дойч предлага схемата, по която се работи днес – взема си набор от кубитове и се записват началните им параметри. След това се изпълняват необходимите преобразувания с използването на логически операции и полученото значение се записва като резултат. Кубитите заменят полупроводниците, а преобразуванията са в ръцете на логически блокове.

На тази условна схема ясно личи колко посложно става изведнъж всичко, когато класическият бит бъде заменен с квантов. Ако в единия случай информацията е единица или нула, в другия единицата информация може да бъде в много различни състояния едновременно, които трудно могат да бъдат проследени и „уловени“ с класическите технологии.

Стана ли твърде сложно? Нормално е, Бил Гейтс признава, че „има една част от работата на „Майкрософт“, която, честно казано, не мога да разбера. Уж имам сериозни познания по математика и физика, но всички обяснения започват да ми изглеждат като йероглифи, когато стане дума за квантовите компютри“.

Идеята за тези машини дават в началото на 80-те години независимо един от друг физикът Ричард Файнман и математикът Юрий Манин. Файнман си задава въпроса как, след като традиционните машини не могат да симулират квантовите системи, бихме могли да изучаваме оттук нататък света на най-дребните неща? „Природата не работи по класически начин, затова, ако искаш да направиш симулация на природата, по-добре е да опиташ с помощта на квантовата механика“, пише той.

Има ли грешка, няма прошка

„Мога със сигурност да кажа, че никой не разбира квантовата механика“, болезнено честен е обаче същият този Файнман. „Трябва да е ясно, че когато става дума за атомите, езикът може да бъде ползван само като поезия“, допълва Нилс Бор. Тоест: математиката работи, но все още мисленето ни е много ограничено, за да разбере истински тези толкова сложни процеси.

При квантовите компютри, освен че единицата и нулата стават относителни понятия, и… 1+1 съвсем не прави две. Всеки допълнителен кубит в квантовия компютър увеличава драстично броя на грешките, които се появяват, и това допълнително затруднява разработването им, както личи на схемата вдясно, която е подготвена от инженерите на IBM. Всеки допълнителен кубит дава многобройни нови квантови състояния на отделните единици. Така още едно важно предизвикателство пред разработчиците е не само да „вдигат“ броя на кубитите в процесорите, но и драстично да намалят грешките – само така квантовите компютри ще бъдат способни на всички чудеса, които очакваме.

Но какво ще се промени един ден, когато направим необходимия пробив в тази област, когато имаме работещи квантови компютри на разумна цена и те навлязат в ежедневието?

За един пробит кубит

На първо място, добре ще е дотогава да сте продали биткойните си. Но не, не бързайте да се отправяте към чейндж бюрото, надали опасността ще назрее в близкото десетилетие.

Криптирането е една от ключовите страни на блокчейн – технологията, която стои зад криптовалутите. Информацията за „електронните пари“ е криптирана – компютрите я обработват по такъв начин, че винаги може да бъде проверено дали едно плащане се е случило, но никой не може да го направи вместо вас. Битката между технологиите, които кодират информацията, и тези, които опитват да я разкодират, е едно непрестанно догонване. А след като бъде създаден, един достатъчно бърз квантов компютър би могъл да се справи с кодиращия алгоритъм на биткойните. Което пък ще му позволи да надникне в портфейла ви и да насочи съдържимото натам, накъдето реши. Мнозина говорят за технологичния апокалипсис, който ще се случи, когато някой се сдобие с истински квантов компютър.

За щастие, и тук има спасение. Специалистите все повече работят върху създаването на алгоритми, които да са устойчиви на тази опасност. Такива вече са създадени и макар че ще е сериозно предизвикателство цялата биткойн мрежа да премине към тях, все пак сигурността на парите може да бъде съхранена. В някои по-нови блокчейн мрежи и виртуални валути вече се използват тези кодиращи алгоритми. Но дали те са достатъчно сигурни… ще разберем едва когато има кой да ги подложи на истинска проверка.

Битова драма

Така или иначе, от квантовите компютри се очакват чудеса. Те може би никога няма да успеят да задминат сегашните в някои типове изчислителна работа, но в други ще са многократно по-бързи. Една от областите, в които се смята, че ще доведат до научни пробиви, са нанотехнологиите и създаването на нови материали. Те обещават да ни помогнат да разработваме много по-съвършени лекарства, с помощта на които драстично ще се увеличи средната продължителност на живота. Причината: химията и технологиите все повече разчитат на симулирането на реални опити в квантова среда, а тя съвсем не е по силите на днешните машини.

И не на последно място: вероятно те ще са многократно по-добри в разработването на изкуствения интелект.

Q#

Повечето специалисти ще ви кажат, че няма как един ден квантовите компютри да заменят тези на бюрото ни, но надали някой може да бъде сигурен. Също както е било през 40-те с огромните машини с размери на стаи, чиито възможности днес са малка част от репертоара на телефона в джоба ни. Неслучайно се приема, че днес, що се отнася до квантовите компютри, човечеството е на нивото си на познание за традиционните именно от 40-те години.

Причината: в подхода си към тях трябва да използваме съвсем различна парадигма. Колкото и да изглеждат сложни, дори най-мощните днешни супермашини са ни доста познати и прогнозируеми. Логиката им на работа в дълбочина не се променя, компютърните езици, на които ги командваме, следват сходни принципи.

Докато тук сме изправени пред нещо съвсем ново. Нужно е да се промени мисленето на специалистите, да се натрупа огромна база опит, преди да разберем как всъщност да ползваме най-добре мощното оръжие, с което ще разполагаме. Тепърва се разработват програмни езици, които да са съобразени с особеностите на технологията, най-популярен е прототипът на „Майкрософт“ Q#, който за момента се използва на машини, симулиращи квантовите компютри.

Квант квантувам… вяра зарад вяра

Има задачи, с които днешните компютри се справят много бързо, и други, които просто не са за тях. Ако трябва да събират или изваждат… то и елката на баба ви е способна да се справи с огромни числа. Трудностите възникват например при разлагането на сложните числа. Ето едно сравнение: ако искате да разложи число от 400 цифри до простите му множители, компютърът ви ще трябва да извърши 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 операции, което ще му отнеме повече време, отколкото е възрастта на Вселената. Квантовият му роднина би се справил за секунда – само с 64 000 000 действия.

Да, днес разполагаме с квантови компютри, но те все още са далеч от това да се превърнат в пълноценни устройства. По-скоро са експериментални системи с неголяма сложност, които ги чака дълъг път.

Той обаче очевидно е достатъчно перспективен. САЩ, Русия, Великобритания, Китай се хвалят със сериозните средства, които дават за изследвания. Огромни ресурси впрягат компании като „Майкрософт“, IBM, „Гугъл“, „Алибаба“ съвместно с Китайската академия на науките, „Сиско“. Според изследователите от последната фирма човечеството ще има достатъчно добър квантов компютър в средата на 20-те години.

О, бит, поспри!

Започнете ли да следите новините за поредния технологичен успех по темата, на първо място ще дойде броят на кубитовете – единиците информация, които даден проект е постигнал. Това донякъде е подвеждащо: както 100-ватовата ви крушка от миналото няма да е еквивалент на своята внучка от енергоспестяващите времена, така и 50-те кубита на един от проектите не могат да се сравнят с тези от другите.

Именно 50-те кубита се смятат за прага на квантовото превъзходство – момента, в който една такава машина ще се справя с част от задачите си по-добре от обичайните. Но трябва да отчитаме и много други неща: до момента тези кубити успяват да оцелеят само за време, на което ще се присмеят дори насекомите еднодневки – квантовото състояние се запазва за десетки микросекунди, а превъзходството ще е в сила, когато то се съхрани за минути.

Снимка: Pete Linforth, Pixabay

Повелителят на кубитите

За квантовите компютри се заговори навсякъде, след като през март 2017 г. с тема на корицата си списание „Нейчър“ обяви, че те са готови да излязат от лабораториите. През 2018-а „Гугъл“ официално представи 72-кубитовия си квантов процесор „Бристълкоун“ с претенциите за най-мощната изчислителна машина към момента. В надпреварата са още 49-кубитови прототипи на IBM и „Интел“ и 51-кубитовата машина на „Харвард“. Уви, всички те са далеч от квантовото превъзходство, защото кубитите им са твърде неустойчиви. Новото при прототипа на „Гугъл“ е, че информационните единици са подредени в две вериги от по 36, така че взаимно да се проследяват за грешки.

Любопитно е, че почти всички фирми – мастодонти на компютърната епоха, разработват квантовите си проекти с небивала прозрачност. Проектите на „Гугъл“, „Майкрософт“ и IBM са представени подробно онлайн, всеки може да се включи в разработването им, да предложи идеи, които да бъдат тествани на прототипните машини. Защото нестандартната задача понякога се нуждае от достатъчно шантаво решение.

Интересът е сериозен: в най-популярния за момента проект „IBM Q Experience“ за 4 години 120 000 потребители са изпробвали над 5 милиона приложения на квантовия компютър през облака, в резултат са създадени повече от 60 научни публикации.

Що се отнася до производството на квантови компютри, в момента само една фирма предлага да ви продаде такъв, ако имате желание – канадската компания „Ди-уейв“. Тя предлага модела D-Wave 2000Q с цели 2000 (макар и твърде, твърде кратко живеещи и с ограничени приложения) кубита за 15 милиона долара. Ако решите да потърсите компания на бидона с кисело зеле и да обзаведете мазето си с него в търсене на лекарството, което ще ви помогне да живеете 200 години, плюсовете са, че след това няма да плащате много за ток. D-Wave 2000Q ползва едва 20 kW, общо взето 100 пъти по-малко от традиционните суперкомпютри.

Фирмата обещава, че с развитието на технологията квантовите ѝ компютри няма да започнат да харчат повече, независимо че ще вдигнат значително производителността си… Ще трябва обаче да се бръкнете за охлаждане, защото системата работи при температура 0,015 градуса. Уви, по Келвин, което се равнява на -273 по Целзий, или в пъти по-ниска, отколкото е в открития Космос.

Квантелей пътник

Освен това няма да ви помогнат например с домашното по математика. „D-Wave компютрите са специализирани и те не могат да бъдат използвани за всичко, както другите прототипи. На практика те са предвидени за решаването на конкретни задачи, но по щастлива случайност някои от тези задачи са с голяма значимост за индустрията и науката“, обяснява програмистът Владислав Зоров, който следи внимателно тази област на науката.

Дълго време учените се съмняваха, че „Ди-уейв“ предлага наистина квантови компютри, преди инженерите на „Гугъл“ да потвърдят, че това се доказва от направените изчисления. Един от първите клиенти на канадската фирма – самолетната компания „Локхийд“, използва квантовия компютър за проверка на софтуера на изтребителите от пето поколение F-35. Само за 6 седмици успели да открият грешка, която с най-модерните компютри би се показала след много месеци.

Според икономисти сегментът на квантовите компютри тепърва ще изживее своя бум и все пак всичко е в ръцете на учените, от които очакваме не само да създадат компютъра, който ще осигури квантовото превъзходство, но и да го впрегнат в работа в търсенето на решения, материали и лекарства, които ще променят живота ни. Дотогава компютрите на Шрьодингер ще са като своята мяукаща колежка – едновременно съществуващи и не чак толкова.

Публикувано: Списание 8, брой 10/2018 г.

Последно обновяване: 11.05.2021 г.