Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё - Каку Митио - Страница 1

Митио Каку

Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Издано при поддержке Российского квантового центра

Переводчик: Наталья Лисова

Научный редактор: Алексей Рубцов, доктор физ. – мат. наук, профессор РАН

Редактор: Ольга Нижельская

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Анна Тарасова

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Елена Рудницкая, Лариса Татнинова

Верстка: Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке: Getty Images

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Michio Kaku, 2023

All rights reserved. Published in the United States by Doubleday, a division of Penguin Random House LLC, New York, and distributed in Canada by Random House of Canada Limited, Toronto.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

В книге упоминаются социальные сети Instagram и/или Facebook – продукты компании Meta Platforms Inc., деятельность которой по реализации соответствующих продуктов на территории Российской Федерации запрещена как экстремистская.

Предисловие к русскому изданию

Физика, которая изучает явления, происходящие в области элементарных частиц, называется квантовой. Многие уравнения классической механики, сформулированные еще Исааком Ньютоном, перестают работать на квантовом уровне. Они хорошо описывают взаимодействия объектов привычных нам размеров и скоростей, но не могут объяснить, как то же самое происходит на уровне элементарных частиц.

Годом рождения квантовой физики можно считать 1900-й, когда немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения нагретых тел, ввел понятие «квант», назвав таким образом минимально возможную порцию излучаемой энергии. Альберт Эйнштейн, исследуя явление фотоэффекта, первым из ученых предположил: сам свет состоит из квантов или фотонов, что противоречило всем представлениям физики XIX в. Так родилась квантовая механика.

Последовавший за созданием квантовой механики период взрывного технологического роста принято называть первой квантовой революцией. Ее основой стало использование коллективных квантовых явлений. В 1930–1940-х гг. начались активные исследования полупроводниковых материалов, свойства которых стало возможно описать с помощью квантовой механики. На основе этих изысканий созданы первые полупроводниковые транзисторы – главные компоненты электроники. В 1954 г. советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали первый квантовый генератор света, или лазер – устройство, управляющее потоком фотонов. С конца XX в. мир находится на пороге второй квантовой революции. Ее ключевое технологическое отличие заключается в управлении индивидуальными квантовыми объектами, например атомами или фотонами.

Сегодня внимание к развитию квантовых технологий во многом связано с идеей квантовых вычислений, или, проще говоря, квантовых компьютеров, которые призваны решить задачи, ранее недоступные человечеству. Идею о возможности использования квантовых эффектов для вычислений впервые высказал американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Спустя 20 лет, в 1980 г., советский математик Юрий Манин описал идею квантовых вычислений. В книге «Вычислимое и невычислимое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи биологической информации с молекул ДНК, он заметил, что для моделирования этого процесса могли бы подойти квантовые устройства.

Сейчас индустрия квантовых вычислений находится на этапе «шумных квантовых процессоров среднего масштаба», то есть систем из сотен кубитов, работающих неустойчиво из-за внешних помех. В ближайшем будущем прогнозируется появление защищенных от ошибок квантовых компьютеров, которые будут существенно эффективнее классических в решении задач с большим количеством переменных, таких как моделирование и оптимизация.

При этом рынок уже учится применять квантовые вычисления. В логистике их используют для маршрутизации транспорта и составления расписаний. В финансах – для оценки рисков, оптимизации инвестиционных портфелей и кредитного скоринга. Компании промышленного сектора проводят эксперименты по использованию квантовых компьютеров для моделирования новых лекарств и сборки геномов, оптимизации энергосетей, разработки новых материалов, аэро- и гидродинамических расчетов.

Появление мощных квантовых компьютеров бесповоротно изменит будущее человечества. За технологическим переворотом придут масштабные изменения в жизни общества и культуре. Какими будут эти изменения, мы пока не представляем, но жизнь точно не останется прежней.

Часть I

Рождение квантовых компьютеров

Глава 1

Конец эпохи кремния

Революция начинается.

В 2019 и 2020 гг. в мире науки произошли две сенсации. Две группы объявили о достижении ими квантового превосходства – то есть той исторической точки, в которой принципиально новый тип компьютера, известный как квантовый компьютер, может убедительно превзойти по производительности обычный цифровой суперкомпьютер в решении определенных задач. Это возвестило о начале переворота, способного изменить весь ландшафт мира информационных технологий и серьезно повлиять на нашу повседневную жизнь во всех ее проявлениях.

Сначала компания Google сообщила, что ее квантовый компьютер Sycamore способен за 200 секунд справиться с математической задачей, на решение которой самому быстрому суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет. Судя по статье в журнале MIT Technology Review, Google назвала это крупным прорывом. Она сравнила это событие с запуском первого спутника или первым полетом братьев Райт. Это был «порог новой эпохи машин, по сравнению с которыми самый мощный сегодняшний компьютер будет выглядеть как обыкновенные счеты»{1}.

Затем Институт квантовых инноваций Китайской академии наук пошел еще дальше. Тамошние ученые заявили, что их квантовый компьютер в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Вице-президент IBM Боб Сутор, комментируя стремительный взлет квантовых компьютеров, заявляет невозмутимо: «Думаю, это станет важнейшей вычислительной технологией текущего столетия»{2}.