Занадто потужний, щоб бути правдою. Що насправді може чип Willow від Google?
Google показав чип для квантового комп’ютера, в трильйони разів швидший за звичайний. Чи зможе він змінити світ?
На початку грудня 2024 року підрозділ Google Quantum AI представив новий чип для квантових обчислень – Willow. Особливий акцент під час презентації робився на його високу продуктивність: процесор швидший за найпотужніший сучасний суперкомп’ютер і здатен розв'язувати ключову проблему галузі, яка залишалася невирішеною останні 30 років, – квантову корекцію помилок. Ба більше, Willow частково підтверджує багатовсесвітню інтерпретацію квантової механіки.
Інтерпретація квантової механіки з багатьма всесвітами припускає, що кожна квантова подія створює паралельні всесвіти. Наприклад, якщо частинка має кілька можливих шляхів, Всесвіт "розгалужується", і в кожній гілці частинка обирає один із них. Усі ці паралельні всесвіти існують одночасно, але ми сприймаємо лише той, у якому перебуваємо.
Втім, серед представників галузі поява нового процесора не викликала того ажіотажу, який створили медіа. Науковці та спеціалісти у сфері квантових обчислень зустріли Willow без особливого ентузіазму, розглядаючи його як черговий, хоча й важливий, крок у розвитку квантових технологій. Для них Willow – це хороший процесор, але не революційний прорив, яким його охрестили ЗМІ.
Для технологічного світу перебільшення значущості нових продуктів є звичною практикою. І не важливо, чи це презентація нового iPhone, чи чипа для квантових обчислень – всі вони є "найкращими в історії". Google не став винятком, представивши чергове досягнення як головне відкриття десятиліття.
Втім, попри пафос у презентації, заслуги Willow не можна знецінювати. Новий чип від Google привернув увагу до галузі, яка активно розвивається, і став ще одним кроком до світу, де обчислення за принципами квантової механіки можуть стати буденністю.
Що насправді показав Google у своєму Willow та як можуть змінити світ квантові комп’ютери, за якими вже почались реальні перегони між державами.
Як працюють квантові комп’ютери та чому Willow не став сенсацією
Квантові комп’ютери працюють за принципами квантової механіки, що кардинально відрізняє їх від звичайних комп’ютерів чи смартфонів. Основна відмінність полягає в тому, що замість традиційних бітів, які можуть мати значення лише 0 або 1, квантові комп’ютери використовують кубіти (квантові біти).
Кубіти завдяки явищу суперпозиції можуть одночасно перебувати у станах 0, 1 або їх комбінації. Це дозволяє квантовим комп’ютерам обробляти величезну кількість варіантів одночасно, що забезпечує їм більшу обчислювальну потужність порівняно зі звичайними комп’ютерами.
Ба більше, реальна перевага квантового комп’ютера зростає експоненційно. Наприклад, продуктивність восьми кубітів квантового комп’ютера перевищує продуктивність звичайного комп’ютера в 32 768 разів.
"Квантові обчислення – це, певною мірою, новий етап технологічної еволюції. Вперше ми переходимо від бінарної логіки до квантової, що наближає нас до принципів обчислень, які відбуваються в самій природі", – пояснює Микола Максименко, співзасновник стартапу Haiqu, який розробляє програмне забезпечення для квантових комп’ютерів.
За останні десятиліття квантові обчислення пройшли шлях від теоретичної концепції до повноцінної індустрії з мільярдними інвестиціями. Серед ключових гравців на цьому ринку – Google, IBM, Microsoft, Amazon та Intel.
Навіть у цій складній сфері, яка ще мало відома широкому загалу, панує жорстка конкуренція, яка змушує компанії регулярно демонструвати значний прогрес. Google зі своїм квантовим чипом Willow не став винятком.
Так, справжньою сенсацією останнього тижня стала заява про обчислювальні можливості Willow. За даними Google, цей чип може за п’ять хвилин розв'язати задачу, на яку найшвидшим суперкомп’ютерам знадобилося б 10 септильйонів (число з 21 нулем) років.
Засновник команди Google Quantum AI Хартмут Невен навіть припустив, що такі показники можуть свідчити про те, що обчислення відбуваються "у багатьох паралельних всесвітах одночасно".
Однак, як відомо, диявол криється в деталях. Сміливі заяви компанії викликали скепсис частини наукової спільноти. Питання полягає у способі вимірювання квантової переваги. Google використовує тест "вибірки випадкових схем" (Random Circuit Sampling), у якому квантовий комп'ютер виконує низку випадкових операцій і генерує розподіл випадкових чисел. Ідея в тому, щоб показати, що квантовий комп'ютер робить це швидше, ніж класичний суперкомп'ютер.
Проблема в тому, що цей тест не є справжнім алгоритмом у класичному розумінні. "Алгоритми зазвичай працюють із реальними вхідними даними, перетворюючи їх у корисний результат. У випадку з Willow алгоритмом є лише набір випадкових операцій і результатом випадкових бінарних чисел", – каже Максименко.
Як наслідок, новий квантовий чип Google так само підпав під критику науковців щодо теорії мультивсесвіту. Частина вчених, серед яких американський астрофізик-теоретик і науковий письменник Ітан Сігел, вважають результат Willow випадковим і не пов'язують його з ідеєю існування паралельних всесвітів.
Цікаво, що у 2019 році Google вже заявляв про досягнення квантової переваги з попереднім процесором Sycamore, який виконав завдання (генерацію випадкових чисел) за 200 секунд, тоді як класичному суперкомп'ютеру на це знадобилося б 10 тис років.
Проте пізніше компанія IBM надала докази того, що найпотужніший у світі суперкомп’ютер може майже йти в ногу з новою квантовою машиною Google.
Одним з ключових моментів презентації Willow стала демонстрація алгоритму, який дозволяє створити один логічний кубіт, базуючись на багатьох фізичних квантових бітах. У Google наголошують, що такий агрегований кубіт виявився значно стабільнішим за кожен окремий фізичний.
Фактично, реалізація логічного кубіта – важливий крок вперед, який підтверджує можливість подолання обмежень фізичних квантових бітів та відкриває шлях до більш надійних квантових обчислень.
Втім, Максименко вважає, що чип Heron від IBM за певними параметрами подібний до Willow, а подекуди навіть його перевершує. "Можна очікувати, що IBM також невдовзі представить реалізацію логічного кубіта. З огляду на відкритий доступ до квантового комп’ютера IBM для науковців, ми можемо побачити цей результат уже в найближчі тижні", – пояснює співзасновник Haiqu.
Революція скасовується
Представлення Willow та додаткова публікація дослідження у журналі Nature не сильно здивували наукову спільноту. Про напрацювання підрозділу Quantum AI було відомо ще влітку цього року. Але в медіапросторі команда Google вирішила більш гучно заявити про себе.
Ажіотаж та обговорення довкола нового "проривного" квантового процесора спричинили зростання акцій Alphabet, материнської компанії Google, на 25% від вересневого мінімуму. На наступний день після презентації капіталізація Alphabet скоротила відставання від решти компаній "Великої сімки" (Apple, Microsoft, Amazon, Nvidia, Meta і Tesla).
Підігріта тема квантових обчислень вплинула й на вартість акцій інших проєктів, пов'язаних з квантовими технологіями: Rigetti Computing Inc. чи D-Wave Quantum Inc.
Хоча реальні результати та вплив Willow на галузь дещо скромніші. "Ті, хто стежать за прогресом у сфері квантових комп’ютерів, розуміють, що досягнення в цій галузі є результатом поступового вдосконалення технологій, без жодної магії чи впливу паралельних світів. Цей прогрес базується на багаторічній роботі експериментаторів та теоретиків у Google, які змогли подвоїти кількість кубітів і покращити їхню стабільність уп’ятеро", – наголошує Максименко.
Наразі говорити про швидку та повноцінну інтеграцію квантових комп’ютерів в людське життя рано. Більшість із них громіздкі та нагадують футуристичні світильники або інсталяції з наукової фантастики: величезний циліндр із численними мідними дротами, трубками й золотими пластинами, які тягнуться від стелі до підлоги. Це – кріостат, який охолоджує кубіти до температур, близьких до абсолютного нуля (–273,16 градуса Цельсія).
Загалом в індустрії квантових обчислень відбувається поетапна еволюція. При цьому робота ведеться не тільки над "залізом", але й програмним забезпеченням.
Так, стартап Haiqu у співпраці з британським банком HSBC створив алгоритм, який дозволяє завантажувати реальні дані, наприклад, із фінансових ринків, на квантовий комп’ютер у масштабах, які вже мають практичну користь. Йдеться про роботу з десятками чи навіть сотнями кубітів, що раніше було неможливо.
Алгоритм дозволяє фінансовим установам, наприклад банкам, зробити перший крок до розрахунків на квантових комп’ютерах, зокрема Monte Carlo симуляції, які на звичайних комп’ютерах потребують великих ресурсів, пояснює Максименко.
Попри вклад великих технологічних компаній та стартапів у сферу квантових обчислень, прогрес в індустрії відбуватиметься поступово. Компанії крок за кроком збільшуватимуть кількість кубітів, працюватимуть зі стабільністю обчислень, паралельно намагаючись інтегрувати технологію в практичні напрямки застосування.
За опитуваннями консалтингової компанії McKinsey, 72% керівників технологічних компаній, інвесторів та науковців у цій сфері вважають, що повністю відмовостійкий квантовий комп’ютер створять до 2035 року. Решта 28% прогнозують, що ця віха стане реальністю не раніше 2040 року.
Хай там як, а квантові комп’ютери вже стають стратегічною галуззю для більшості економічно розвинених країн.
Квантові обчислення як частина національної безпеки
Квантові комп’ютери не зможуть повністю замінити класичні, оскільки вони не мають переваг для звичайних обчислень. Проте вони значно ефективніші для задач, які потребують паралельних обчислень для отримання наближених результатів, що майже неможливо реалізувати на класичних пристроях.
Як зазначає співзасновник Haiqu, квантові комп’ютери особливо корисні для симуляцій молекул, згортання протеїнів, аеро- та гідродинамічних задач, а також для оптимізації, логістики та оборонній сфері.
Окремо варто виокремити потенціал використання квантових комп’ютерів для розв'язування задач, які лежать в основі сучасних алгоритмів шифрування. Іншими словами, квантові обчислення можуть зробити сучасне шифрування застарілим, створивши серйозні ризики для військових і економічних систем.
Ця потенційна загроза, відома як Q-day, передбачає можливість хакерам зламувати критично важливі системи, такі як енергомережі чи фінансові операції.
Більшість фахівців пропускають, що ймовірність настання Q-day відбудеться не раніше 2030-х років. Для захисту від цієї загрози, за оцінками Всесвітнього економічного форуму, потрібно оновити або замінити понад 20 мільярдів пристроїв.
Попри те, що квантові обчислення поки залишаються переважно теоретичними, уряди активно готуються до потенційних викликів. На сьогодні понад 20 країн мають національні квантові ініціативи, однак лише деякі здатні виробляти квантові комп’ютери через обмеження на експорт технологій і недостатнє фінансування.
Загалом у квантові технології проінвестували 42 млрд дол, що становить третину вкладень у штучний інтелект за 2022 рік.