Слишком мощный, чтобы быть правдой. Что на самом деле может чип Willow от Google?
Google показал чип для квантового компьютера, в триллионы раз быстрее обычного. Сможет ли он изменить мир?
В начале декабря 2024 года подразделение Google Quantum AI представило новый чип для квантовых вычислений - Willow. Особый акцент во время презентации делался на его высокую производительность: процессор быстрее самого мощного современного суперкомпьютера и способен решать ключевую проблему отрасли, которая оставалась нерешенной последние 30 лет, - квантовую коррекцию ошибок. Более того, Willow частично подтверждает многовселенскую интерпретацию квантовой механики.
Интерпретация квантовой механики со многими вселенными предполагает, что каждое квантовое событие создает параллельные вселенные. Например, если частица имеет несколько возможных путей, Вселенная "разветвляется", и в каждой ветви частица выбирает один из них. Все эти параллельные вселенные существуют одновременно, но мы воспринимаем только ту, в которой находимся.
Впрочем, среди представителей отрасли появление нового процессора не вызвало того ажиотажа, который создали медиа. Ученые и специалисты в сфере квантовых вычислений встретили Willow без особого энтузиазма, рассматривая его как очередной, хотя и важный, шаг в развитии квантовых технологий. Для них Willow - это хороший процессор, но не революционный прорыв, каким его окрестили СМИ.
Для технологического мира преувеличение значимости новых продуктов является привычной практикой. И не важно, будь это презентация нового iPhone, или чипа для квантовых вычислений - все они являются "лучшими в истории". Google не стал исключением, представив очередное достижение как главное открытие десятилетия.
Впрочем, несмотря на пафос в презентации, заслуги Willow нельзя обесценивать. Новый чип от Google привлек внимание к активно развивающейся отрасли и стал еще одним шагом к миру, где вычисления по принципам квантовой механики могут стать обыденностью.
Что на самом деле показал Google в своем Willow и как могут изменить мир квантовые компьютеры, за которыми уже начались реальные гонки между государствами.
Как работают квантовые компьютеры и почему Willow не стал сенсацией
Квантовые компьютеры работают по принципам квантовой механики, что кардинально отличает их от обычных компьютеров или смартфонов. Основное отличие заключается в том, что вместо традиционных битов, которые могут иметь значение только 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты (квантовые биты).
Кубиты благодаря явлению суперпозиции могут одновременно находиться в состояниях 0, 1 или их комбинации. Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромное количество вариантов одновременно, что обеспечивает им большую вычислительную мощность по сравнению с обычными компьютерами.
Более того, реальное преимущество квантового компьютера растет экспоненциально. Например, производительность восьми кубитов квантового компьютера превышает производительность обычного компьютера в 32 768 раз.
"Квантовые вычисления - это, в определенной степени, новый этап технологической эволюции. Впервые мы переходим от бинарной логики к квантовой, что приближает нас к принципам вычислений, которые происходят в самой природе", - объясняет Николай Максименко, соучредитель стартапа Haiqu, который разрабатывает программное обеспечение для квантовых компьютеров.
За последние десятилетия квантовые вычисления прошли путь от теоретической концепции до полноценной индустрии с миллиардными инвестициями. Среди ключевых игроков на этом рынке - Google, IBM, Microsoft, Amazon и Intel.
Даже в этой сложной сфере, которая еще мало известна широкой публике, царит жесткая конкуренция, которая заставляет компании регулярно демонстрировать значительный прогресс. Google со своим квантовым чипом Willow не стал исключением.
Так, настоящей сенсацией последней недели стало заявление о вычислительных возможностях Willow. По данным Google, этот чип может за пять минут решить задачу, на которую самым быстрым суперкомпьютерам понадобилось бы 10 септильонов (число с 21 нулем) лет.
Основатель команды Google Quantum AI Хартмут Невен даже предположил, что такие показатели могут свидетельствовать о том, что вычисления происходят "во многих параллельных вселенных одновременно".
Однако, как известно, дьявол кроется в деталях. Смелые заявления компании вызвали скепсис части научного сообщества. Вопрос заключается в способе измерения квантового превосходства. Google использует тест "выборки случайных схем" (Random Circuit Sampling), в котором квантовый компьютер выполняет ряд случайных операций и генерирует распределение случайных чисел. Идея в том, чтобы показать, что квантовый компьютер делает это быстрее, чем классический суперкомпьютер.
Проблема в том, что этот тест не является настоящим алгоритмом в классическом понимании. "Алгоритмы обычно работают с реальными входными данными, преобразуя их в полезный результат. В случае с Willow алгоритмом является лишь набор случайных операций и результатом случайных бинарных чисел", - говорит Максименко.
Как следствие, новый квантовый чип Google так же подвергся критике ученых относительно теории мультивселенной. Часть ученых, среди которых американский астрофизик-теоретик и научный писатель Итан Сигел, считают результат Willow случайным и не связывают его с идеей существования параллельных вселенных.
Интересно, что в 2019 году Google уже заявлял о достижении квантового преимущества с предыдущим процессором Sycamore, который выполнил задачу (генерацию случайных чисел) за 200 секунд, тогда как классическому суперкомпьютеру на это понадобилось бы 10 тыс. лет.
Однако позже компания IBM предоставила доказательства того, что самый мощный в мире суперкомпьютер может почти идти в ногу с новой квантовой машиной Google.
Одним из ключевых моментов презентации Willow стала демонстрация алгоритма, который позволяет создать один логический бит, базируясь на многих физических квантовых битах. В Google отмечают, что такой агрегированный кубит оказался значительно стабильнее каждого отдельного физического.
Фактически, реализация логического кубита - важный шаг вперед, который подтверждает возможность преодоления ограничений физических квантовых битов и открывает путь к более надежным квантовым вычислениям.
Впрочем, Максименко считает, что чип Heron от IBM по определенным параметрам подобен Willow, а кое-где даже его превосходит. "Можно ожидать, что IBM также вскоре представит реализацию логического кубита. Учитывая открытый доступ к квантовому компьютеру IBM для ученых, мы можем увидеть этот результат уже в ближайшие недели", - объясняет соучредитель Haiqu.
Революция отменяется
Представление Willow и дополнительная публикация исследования в журнале Nature не сильно удивили научное сообщество. О наработках подразделения Quantum AI было известно еще летом этого года. Но в медиапространстве команда Google решила более громко заявить о себе.
Ажиотаж и обсуждения вокруг нового "прорывного" квантового процессора вызвали рост акций Alphabet, материнской компании Google, на 25% от сентябрьского минимума. На следующий день после презентации капитализация Alphabet сократила отставание от остальных компаний "Большой семерки" (Apple, Microsoft, Amazon, Nvidia, Meta и Tesla).
Подогретая тема квантовых вычислений повлияла и на стоимость акций других проектов, связанных с квантовыми технологиями: Rigetti Computing Inc. или D-Wave Quantum Inc..
Хотя реальные результаты и влияние Willow на отрасль несколько скромнее. "Те, кто следят за прогрессом в сфере квантовых компьютеров, понимают, что достижения в этой области являются результатом постепенного совершенствования технологий, без всякой магии или влияния параллельных миров. Этот прогресс базируется на многолетней работе экспериментаторов и теоретиков в Google, которые смогли удвоить количество кубитов и улучшить их стабильность в пять раз", - отмечает Максименко.
Сейчас говорить о быстрой и полноценной интеграции квантовых компьютеров в человеческую жизнь рано. Большинство из них громоздкие и напоминают футуристические светильники или инсталляции из научной фантастики: огромный цилиндр с многочисленными медными проводами, трубками и золотыми пластинами, которые тянутся от потолка до пола. Это - криостат, который охлаждает кубиты до температур, близких к абсолютному нулю (-273,16 градуса Цельсия).
В целом в индустрии квантовых вычислений происходит поэтапная эволюция. При этом работа ведется не только над "железом", но и программным обеспечением.
Так, стартап Haiqu в сотрудничестве с британским банком HSBC создал алгоритм, который позволяет загружать реальные данные, например, с финансовых рынков, на квантовый компьютер в масштабах, которые уже имеют практическую пользу. Речь идет о работе с десятками или даже сотнями кубитов, что ранее было невозможно.
Алгоритм позволяет финансовым учреждениям, например банкам, сделать первый шаг к расчетам на квантовых компьютерах, в частности Monte Carlo симуляции, которые на обычных компьютерах требуют больших ресурсов, объясняет Максименко.
Несмотря на вклад крупных технологических компаний и стартапов в сферу квантовых вычислений, прогресс в индустрии будет происходить постепенно. Компании шаг за шагом будут увеличивать количество кубитов, работать со стабильностью вычислений, параллельно пытаясь интегрировать технологию в практические направления применения.
По опросам консалтинговой компании McKinsey, 72% руководителей технологических компаний, инвесторов и ученых в этой сфере считают, что полностью отказоустойчивый квантовый компьютер создадут к 2035 году. Остальные 28% прогнозируют, что эта веха станет реальностью не раньше 2040 года.
Как бы там ни было, а квантовые компьютеры уже становятся стратегической отраслью для большинства экономически развитых стран.
Квантовые вычисления как часть национальной безопасности
Квантовые компьютеры не смогут полностью заменить классические, поскольку они не имеют преимуществ для обычных вычислений. Однако они значительно эффективнее для задач, требующих параллельных вычислений для получения приближенных результатов, что почти невозможно реализовать на классических устройствах.
Как отмечает соучредитель Haiqu, квантовые компьютеры особенно полезны для симуляций молекул, свертывания протеинов, аэро- и гидродинамических задач, а также для оптимизации, логистики и оборонной сферы.
Отдельно стоит выделить потенциал использования квантовых компьютеров для решения задач, которые лежат в основе современных алгоритмов шифрования. Иными словами, квантовые вычисления могут сделать современное шифрование устаревшим, создав серьезные риски для военных и экономических систем.
Эта потенциальная угроза, известная как Q-day, предусматривает возможность хакерам взламывать критически важные системы, такие как энергосети или финансовые операции.
Большинство специалистов пропускают, что вероятность наступления Q-day произойдет не раньше 2030-х годов. Для защиты от этой угрозы, по оценкам Всемирного экономического форума, потребуется обновить или заменить более 20 миллиардов устройств.
Несмотря на то, что квантовые вычисления пока остаются преимущественно теоретическими, правительства активно готовятся к потенциальным вызовам. На сегодня более 20 стран имеют национальные квантовые инициативы, однако лишь немногие способны производить квантовые компьютеры из-за ограничений на экспорт технологий и недостаточного финансирования.
В целом в квантовые технологии проинвестировали 42 млрд долл, что составляет треть вложений в искусственный интеллект за 2022 год.