Эпоха открытий. Возможности и угрозы второго Ренессанса - Крис Кутарна

По той же причине существует предел того, насколько малым может быть надежный переключатель, использующий электроны, – около 7 нанометров. Уменьшите его еще, и мы уже не будем уверены, включен ли переключатель, потому что мы так сказали или потому что группа шаловливых электронов бросила вызов классической физике и просочилась через соседний транзистор. Это маловероятно, но транзисторов на микросхеме так много, что даже маловероятное будет происходить достаточно часто, чтобы помешать ее работе.

При нынешних темпах прогресса ученые смогут достичь предела уменьшения надежного кремниевого переключателя в течение десяти лет, хотя, возможно, они выиграют одно десятилетие, если найдут замену кремнию – другой материал, который заставит электроны вести себя лучше (пока самый вероятный кандидат на эту роль – графен). Такие процессоры будут обеспечивать энергией следующие поколения потребительской техники и поисковых систем, но даже самые быстрые новые микросхемы будут все еще недостаточно быстрыми для решения многих важных проблем в полезный для нас срок. Дело в том, что они запрограммированы на поочередную проверку каждого возможного значения каждой переменной, одной за другой, и чем больше мы узнаем о нашем мире, тем больше значений и переменных мы вводим. На то, чтобы проверить их все, может уйти очень много времени. Скажем, у вас есть сто монет из ста разных стран, и вы хотите увидеть все возможные комбинации «орла» и «решки». Это 2100 возможных комбинаций – астрономическое число. Даже если ваш ноутбук в тысячу раз быстрее самого быстрого современного компьютера, ему все равно потребуются миллиарды лет, чтобы проанализировать все варианты.

Вычислительный гений

Конец кремниевого масштабирования близок – но мы и не рассчитывали, что кремний будет служить нам вечно. Его неминуемый закат означает, что нам придется изобрести новые способы хранения и обработки информации.

Вместо того чтобы и дальше уменьшать известные компоненты, работающие на микроуровне, можем ли мы увеличить масштабы необъяснимого нанофеномена? Наши нынешние компьютеры по своей природе ограничены, поскольку построены на основе упрощения – допущения, что частица либо есть, либо ее нет. На самом деле верно и то и другое, и теоретически это делает ее гораздо более емким носителем информации, чем мы привыкли думать. Если бы мы могли каким-то образом использовать способность электрона находиться в двух различных состояниях одновременно – это называется суперпозицией, – то он мог бы производить одновременно два вычисления. Два электрона могли бы выполнить четыре вычисления, три электрона – восемь, четыре – шестнадцать и т. д. Вычислительная мощность будет расти в геометрической прогрессии. Всего сотня электронов, работающих вместе, могла бы проанализировать наши 2100 комбинаций мгновенно – то есть на миллиарды лет быстрее, чем любой компьютер. Кроме того, если бы мы могли каким-то образом хранить информацию в разных состояниях электрона, то всего 300 электронов, работающих вместе, могли бы заключить в себе больше информации, чем когда-либо можно было хранить старыми способами – даже если бы мы преобразовали каждый атом во Вселенной в последовательность нулей и единиц [18].

Это теория. В последние два десятилетия мы начали воплощать ее на практике. Одним из первых примеров было решение проблемы простых чисел. Возьмем очень большое число (скажем, длиной в 250 цифр) – какие простые числа делятся на него без остатка? Ваш компьютер может анализировать варианты не один десяток лет и все равно не найти ответа – именно поэтому шифрование данных по большей части строится на основе простых числовых тестов, подобных этому. В 2001 г. исследователи построили квантовый компьютер, который успешно факторизовал число 15, разложив его на множители 3 и 5. В 2012 г. исследователи факторизовали 143 (11×13), а в 2014 г. они поставили рекорд квантовой факторизации, представив 56 153 как 233×241 [19]. Все это звучит не слишком впечатляюще, пока вы не задумаетесь о том, что такое на самом деле «квантовый компьютер»: совокупность атомов или электронов («кубитов»), на квантовых состояниях которых мы отображаем математические значения, и, когда они причудливым образом занимают все квантовые состояния одновременно, они, по сути дела, тестируют все варианты решения нашей математической задачи. Затем мы смотрим на частицы, что заставляет их все вернуться в то состояние, которое они предпочитают, и в переводе обратно на математический язык это означает правильный ответ.

Ученые доказали квантовую концепцию, теперь перед нами стоит задача увеличить ее масштаб. В 2011 г. канадская компания D-Wave Systems вывела на рынок первый коммерческий квантовый компьютер D-Wave One на основе 128 кубитов. В конце 2012 г. исследователи доказали, что кубиты можно создавать из атомов кремния – важный шаг, поскольку все, что нам известно об изготовлении крупномасштабных вычислительных устройств, по-прежнему опирается на кремний. В 2013 г. компания Google объявила об открытии лаборатории искусственного интеллекта Quantum в сотрудничестве с НАСА. Лаборатория купила компьютер D-Wave Two, работающий на 512 кубитах и способный решать некоторые виды задач в 3000 раз быстрее, чем самый быстрый из сегодняшних классических компьютеров. В 2014 г. компания IBM анонсировала новую научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую программу (3 миллиарда долларов на 5 лет), цель которой – опробовать изготовление микросхем на основе графена и перейти к квантовой обработке данных. Осенью 2015 г. компания Intel также объявила о своем вступлении в область квантовых вычислений. Предположения различаются, но вполне можно утверждать, что к 2020 г. квантовые компьютеры смогут уверенно конкурировать с традиционными и заменят их в решении некоторых специализированных проблем.

Между тем физики начали искать возможности практического применения нового открытия. В 1990-х гг. они открыли квантовую телепортацию – грубо говоря, способ переместить небольшой фрагмент данных из одного места в другое, не перемещая его через промежуточное пространство. С тех пор они уверенно увеличивают надежность и расстояние квантового скачка, с оглядкой на то, что однажды таким образом удастся создать квантовый интернет. (По состоянию на 2015 г., рекорд дальности перемещения составляет 150 километров – это важная теоретическая веха, поскольку это также минимальное расстояние между Землей и орбитальными спутниками.) В 2000-е гг. стала реальностью квантовая криптография: теперь можно генерировать по-настоящему случайные коды доступа, которые физически невозможно предсказать, и передавать их на 300 километров, при этом получатель может абсолютно точно знать, был ли код перехвачен по дороге [20]. Коммерческие версии таких систем уже обеспечивают безопасность банковских переводов и передачу результатов всеобщих выборов. Правительственные учреждения также участвуют в разработках. В 2014 г. утечка правительственных документов США показала, что Агентство национальной безопасности готовилось создать квантовые устройства для создания и взлома кодов. В том же году аналогичное учреждение Великобритании, Центр правительственной связи (ЦПС), законсервировал один из собственных проектов, прототип системы шифрования, поскольку была доказана его уязвимость для квантовых атак [21].

В течение следующих нескольких десятилетий квантовые компьютеры могут помочь нам ответить на важные вопросы, по-прежнему выходящие далеко за рамки нашего сегодняшнего понимания: как именно разные уровни биологической системы влияют друг на друга, как возникает сознание и какой будет конечная судьба Вселенной. Они также могут преобразить нашу повседневную жизнь. Квантовые датчики обладают достаточной вычислительной мощностью, чтобы постоянно контролировать все химические вещества, присутствующие в нашей крови, – то есть проводить все доступные анализы крови в режиме реального времени и с мгновенными результатами. Получение оперативной информации о состоянии организма в режиме реального времени преобразит наши привычки, наши основные представления о здоровье и болезни и нашу систему здравоохранения.