Революция откладывается: привычные компьютеры не скоро уступят место квантовым

Виктор Кузовков

Примерно десять лет назад Стив Джобс заявил о скорой смерти персональных компьютеров. И был поддержан множеством отраслевых экспертов, журналистов, предпринимателей рангом пониже. Но миновало десятилетие, не стало уже и самого Стива Джобса, а персональные компьютеры по-прежнему живее всех живых. Правда, некоторые тревожные тенденции для рынка настольных ПК все-таки прослеживаются: продажи настольных ПК падают на протяжении всего десятилетия, и сейчас, в сравнении с 2011 годом, их продается примерно на 30% меньше.

То есть, Джобс был не так уж неправ? Похоже, какое-то рациональное зерно в его высказывании было. Но истина, как водится, оказалась где-то посередине – рынок просто трансформировался, доля персональных компьютеров стала несколько меньшей, но по многим параметрам наши настольные рабочие станции все ещё не знают себе равных и вряд ли собираются полностью уходить в небытие.

Но внезапно заговорили о другой угрозе: по мнению некоторых экспертов, уже через десять лет на рынке может появиться следующее поколение ПК, а именно квантовые компьютеры. И их превосходство над обычными будет так велико, что наши нынешние кремниевые любимцы быстро сдадут позиции и станут анахронизмом.

Квантовые компьютеры вещь довольно странная и малопонятная, как и все, впрочем, что связано с квантами. Недаром ведь существует даже термин «квантовая запутанность». Да, он имеет довольно точное научное значение, но нам обычно кажется, что он определяет все это направление научной мысли: если дело касается чего-то квантового, то там точно все запутанно и совершенно непонятно…

Обычному человеку достаточно того, что квантовые компьютеры будут значительно мощнее своих предшественников. Предполагается, что они смогут в считанные минуты решать задачи, на которые нынешним суперкомпьютерам требуются месяцы, а то и годы. И уже есть потенциальные потребители таких систем, которые, как говорится, за ценой не постоят: военные, спецслужбы, ученые.

Появление квантовых компьютеров обещает революцию в криптографии, то есть, любой нынешний сложнейший шифр можно будет взломать если не за минуты, то максимум за недели. А это один из важнейших вопросов безопасности, поэтому вопрос «нужен ли нам квантовый компьютер?» вообще не стоит: если мы не хотим, чтобы секретные коды наших военных и спецслужб легко взламывались спецслужбами иностранными, нам волей-неволей придется обзавестись собственным квантовым компьютером. Причем, очевидно, что шифры, которые использовались ранее и используются сейчас, все-таки будут взломаны, и нынешние секреты станут известны тем, кому это интересно. Но благодаря квантовым компьютерам удастся вывести на новый уровень и само шифрование, сделав нечитаемыми хотя бы шифры будущего.

Эта тема важна хотя бы как иллюстрация того, что в квантовой гонке ведущие мировые игроки не могут остановиться и проиграть. Это слишком серьезно. Поэтому, повторимся, интерес к данной тематике будет в любом случае, а значит, будут и государственные инвестиции, и государственные заказы, и госпрограммы, и лучшие умы человечества будут биться над тем, чтобы заставить кубиты работать на благо человека. А следом, как уже множество раз было в истории, подтянется и коммерческий сегмент, и некогда нечто секретное и недоступное станет обыденностью на каждом рабочем столе.

Так в чем же превосходство квантового компьютера перед обычным, с кремниевыми транзисторами, объединенными в процессоры? На самом деле это очень непросто для понимания, и все-таки попробуем проиллюстрировать вопрос самыми простыми аналогиями.

Информация в обычном компьютере хранится в так называемых битах. То есть, базовая ячейка информации может содержать информацию в неких противоположных значениях – да или нет, плюс или минус. В отличие от бита, квантовый компьютер может оперировать кубитами. Это уже более сложная ячейка информации, которая может одновременно значить и «да», и «нет», и некие промежуточные положения, вроде «может быть» и «весьма вероятно».

Понятнее не стало? Хорошо, давайте вспомним об азбуке Морзе. Там, как вы помните, информация передается с помощью всего двух операторов – точки и тире. Каждая буква имеет свое обозначение в этом двоичном коде, и часто для передачи всего одной буквы используется сразу несколько точек и тире. Соответственно, любое слово, переданное азбукой Морзе, превращается в довольно длинный набор символов.

Обычный компьютер работает ровно по тому же принципу, только в компьютерном двоичном коде используются символы «ноль» и «единица». И все процессы, проходящие в самом компьютере, а также сообщение между компьютерами проходит с помощью своеобразной «морзянки» из миллионов и миллиардов нулей и единиц, в которых зашифрованы слова, цифры, знаки препинания и так далее. Для того, чтобы информация была доступна не только узкому количеству профессионалов, умеющих читать двоичный код, она уже средствами самого компьютера обрабатывается и выдается нам в более привычном виде – как текст, или изображение, или видео.

А чтобы хотя бы отдаленно понять, что такое кубит, давайте представим себе любой наш пароль, скрытый звездочками при наборе. Каждая звездочка может скрывать одну из букв алфавита, причем, в двух регистрах, цифру или какой-то знак препинания. Суммарно под одной звездочкой в поле набора пароля может скрываться несколько десятков, а то и сотен, вариантов. Соответственно, если в вашем пароле десяток знаков, то сам пароль предполагает, грубо говоря, десять в десятой степени вариантов перебора.

Конечно, кубит содержит существенно меньше вариантов, поэтому он потенциально не так информативен, как звездочка в поле набора вашего пароля. Но в сравнении с обычным битом его информативность очень велика.

Есть, разумеется, и другие отличия, и отличия очень существенные, влияющие, в том числе, и на производительность, но давайте, наверное, ограничимся только этим пояснением, чтобы не сойти с ума от всей этой квантовой запутанности. Констатируем лишь, что ученые не так уж неправы, возлагаю на квантовые компьютеры такие большие надежды…

Кстати, нужно сказать, что квантовые компьютеры постепенно перестают быть чисто теоретической умозрительной игрушкой ученых. Так, компанияGoogleв прошлом году продемонстрировала свой квантовый процессор, который за три с половиной минуты справился с задачей, на которую у самого производительного современного компьютера ушли бы недели. И это зримое, практическое подтверждение так называемого квантового превосходства наглядно показывает, что ученые правы в своих теоретических изысканиях. А кроме того, понятно и то, что важнейший шаг к разработке уже не экспериментальных, а промышленных квантовых процессоров сделан, и теперь эту гонку не остановить.

В связи с этим очень интересно, как же обстоят дела с этим в России. Увы, гонку за кремний мы проиграли с треском, буквально в одни ворота, и не случится ли так, что проиграем и квантовое сражение? Вопрос не праздный, ибо последствия могут быть весьма плачевными, вплоть до частичной утраты обороноспособности государства.

Но у нас, как ни странно, пока все не так уж и плохо, как можно было ожидать. Или уже все не так уж и плохо, это смотря как трактовать информацию…

В 2010 году по инициативе Сергея Белоусова, создателя IT-компании Acronis, и Михаила Лукина, физика, профессора Гарвардского университета, в России был создан Российский квантовый центр. К работе он приступил в 2011 году, став одним из первых резидентов Сколково. РКЦ занимается широким спектром задач, связанных с прикладными аспектами квантовой физики: квантовой оптикой, созданием квантовых материалов, квантовой информатикой, сверхпроводимостью и так далее.

Центр сотрудничает с ведущими научными организациями России, в том числе с ведущими университетами страны от Санкт-Петербурга до Новосибирска, планируются с серьезные совместные проекты с РАН. И результаты не заставили себя долго ждать: в 2015 году специалисты Центра, совместно с МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит. А в 2017 году результатом их деятельности стало создание первого в мире квантового блокчейна.

Разумеется, и другие научные центры страны, сами или под эгидой Российской академии наук, ведут исследования в области квантовой физики, в том числе в части, касающейся квантовых вычислений. И результаты довольно впечатляющие: по словам людей, близких к данному процессу, за последние годы Россия сократила минимум десятилетнее отставание от признанным мировых лидеров в области квантовой физики. А десять лет для сравнительно новой области знаний и исследований – срок просто огромный.

Вместе с тем, мы все-таки должны помнить о том, что квантовый компьютер весьма специфичен, и лучше всего подходит для решения математических задач, вычислений, вероятностных прогнозов и т. п. Приспособить его для потребительского сегмента весьма непросто: пока не факт, что для компьютерных игр или других популярных у пользователей задач он будет подходить лучше, чем нынешние кремниевые ПК. Кроме того, он требует совершенно новой информатики, а значит, разработки новых операционных систем, служебных приложений, графических движков и так далее. А это само по себе – огромная работа, которая начнется только тогда, когда промышленность будет готова к созданию первых образцов квантовых компьютеров для массового сегмента. А это ещё, как минимум, десятилетие до того момента, как обычный пользователь перестанет ощущать разницу в комфортности и удобстве между обычным ПК, и квантовым.

Поэтому рискнем утверждать, что до смерти ПК в его нынешнем виде ещё очень далеко. И если вы вдруг задумались о том, стоит ли покупать компьютер сейчас, или подождать немного, подкопить сразу на квантовый, оставьте сомнения: если не собираетесь ждать и копить двадцать лет, берите компьютер смело. Обычный, с кремниевым чипом. Для ваших задач конкурентов у него не появится ещё долго…