Новий квантовий комп'ютер у Барселонському суперкомп'ютерному центрі

У Барселонському суперкомп'ютерному центрі з'явився новий мешканець. Ця колишня церква, що з 2005 року розміщувала суперкомп'ютери MareNostrum 1, 2, 3 та 4, тепер робить експоненційний стрибок, стаючи домом для першого іспанського квантового комп'ютера загального користування, створеного за 100% європейською технологією. Проєкт Quantum Spain, відповідальний за реалізацію цієї ініціативи, має бюджет у 22 мільйони євро, які спрямовані на будівництво комп'ютера, створення екосистеми для забезпечення доступу до нього та дослідження квантової алгоритміки – ключової складової у розробці цієї новаторської технології.

Мета, продовжуючи місію проєктів MareNostrum, – надати іспанським дослідникам інструмент, який обіцяє в недалекому майбутньому революціонізувати наше розуміння світу, розширивши можливості досліджень у таких різноманітних областях, як розробка ліків, фізика матеріалів, фінанси та штучний інтелект.

Але що може запропонувати квантовий комп'ютер і яка його відмінність від традиційного? «Це нелегко пояснити одним реченням», – стверджує Альба Сервера, фізик, яка координує проєкт, і аргументує: «Швидка відповідь полягає в тому, що квантовий комп'ютер – це комп'ютер, який працює за правилами квантової механіки, але потім нам довелося б пояснювати, що це за правила, і тоді ми потрапляємо в хаос».

Щоб зрозуміти різницю між квантовим і традиційним комп'ютером, потрібно зрозуміти різницю між бітами та кубітами. Біт – це одиниця інформації, за допомогою якої пишеться мова, що керує комп'ютерами, які ми знаємо, і яку, в двійковому коді, можна виразити як 0 або 1. Кубіт має інший тип властивостей, які пов'язані з квантовим світом, у якому одна річ може бути кількома речами одночасно. Таким чином, замість 1 або 0, кубіт може бути 0, 1 або сумішшю обох: так званою суперпозицією станів. Але, крім цього, кубіти можуть спілкуватися між собою таким чином, що сигнал, надісланий одному, впливає на інших, апелюючи до ще однієї квантової властивості – заплутаності. «Це робить його функціонування повністю відмінним від традиційних бітів і визначає, що алгоритми, за допомогою яких їх програмують, також мають бути зовсім іншої природи», – пояснює Сервера.

Отже, це не питання обчислювальної потужності, а типу операцій, які вони здатні виконувати. Порівняти обчислювальну потужність суперкомп'ютера MareNostrum 4 з MareNostrum 5 дуже просто: 13 900 трильйонів операцій на секунду проти 314 000 трильйонів операцій на секунду. Коли ми переходимо до квантових обчислень, питання стає складнішим, оскільки йдеться про радикально різні операції. Це правда, що кубіти, будучи здатними виражати 0, 1 та всі проміжні значення, експоненціально збільшують продуктивність традиційних чіпів, але справа не тільки в цьому. З одного боку, існує питання заплутаності – те, як кубіти впливають один на одного, – але перш за все існує той факт, що алгоритми, які керують цими обчисленнями та цими процесами, мають зовсім іншу природу. Відповідаючи на квантові властивості, вони дозволяють у тих застосуваннях, де це доречно, заощадити багато кроків, досягаючи того, що операція, на вирішення якої у звичайного комп'ютера пішли б роки, квантовий комп'ютер може вирішити за лічені хвилини.

«Найбільш очевидним прикладом є криптографія», – пояснює Сервера, «тобто шифрування інформації. Одна з найпоширеніших форм криптографії заснована на добутку двох простих чисел. Перемножити два прості числа дуже просто. Але якщо нам дають добуток цього множення і ми повинні з'ясувати, які два прості числа помножені дають цей результат, операція може виявитися дійсно складною: завдання, на вирішення якого у звичайного суперкомп'ютера, залежно від розміру заданого числа, можуть піти тисячі років». У 1994 році американський математик Пітер Шор розробив алгоритм, який, використовуючи квантові властивості, міг вирішити цю проблему набагато ефективніше, так що ці тисячі років перетворилися на хвилини. «Справа не у швидкості, хоча результат такий, а в типі алгоритму, розробленому спеціально для використання квантових властивостей, щоб він міг вирішити проблему, використовуючи набагато менше операцій, що призводить до значно меншого часу вирішення, а також до значної економії енергії», – пояснює Сервера.

Трудність полягає в тому, що квантове обладнання ще не здатне підтримувати такі операції. Якщо бути оптимістами, то навіть для алгоритмів, які теоретично показали свою функціональність – як у випадку з алгоритмом Шора – не вистачає щонайменше 15 років, щоб технологія могла їх використовувати. Робота квантового комп'ютера ще дуже нестабільна, і робиться багато помилок. Великий виклик полягає в тому, щоб виправляти ці помилки для досягнення надійних процесів.

Кажуть, що квантовий комп'ютер зможе вирішити всі проблеми людства, тому що він здатний аналізувати всі рішення одночасно, але це теж не так. Потрібно враховувати, що мати всі відповіді – це те саме, що не мати жодної. «Важливо починати з цього, здатність знати, як сформулювати питання таким чином, щоб отримати корисну відповідь. А це, мовою інформатики, перекладається в розробку правильного алгоритму», – пояснює Сервера.

Ключ полягає в так званій «квантовій перевазі», тобто в тому, для яких типів процесів можна розробити алгоритм, у якому квантова технологія виявиться ефективнішою, ніж найпотужніші традиційні комп'ютери. Для початку, всі ті, в яких хочуть симулювати взаємодії, що відбуваються у квантовому світі, тобто ті, що стосуються фізики частинок. «Наприклад, розробка ліків вимагає експериментів з молекулами, які складаються з атомів, які складаються з частинок, що керуються правилами квантової механіки. Комп'ютер, який працює з цією технологією, буде набагато доречнішим для проведення таких симуляцій, ніж той, який повинен її імітувати», – пояснює Сервера. Те ж саме стосується фізики матеріалів та операцій, необхідних для розробки штучного інтелекту. І вважається, що це також може бути дуже корисним у оптимізації логістичних процесів, таких як надсилання посилок Amazon або деякі фінансові проблеми, як-от оптимізація інвестиційних портфелів, але це ще вивчається.

Для оптимальної роботи квантовий чіп повинен перебувати у вакуумі, щоб залишатися ізольованим від будь-яких можливих порушень, і при температурі, близькій до абсолютного нуля, тобто -273 градуси за Цельсієм. Сам чіп, власне, займає не більше шести квадратних сантиметрів. Все обладнання, яке йде з цим, коли ми бачимо зображення квантового комп'ютера, призначене для створення цього вакууму та доведення температури до таких низьких значень.

Після введення в експлуатацію квантовий комп'ютер стане ще однією частиною MareNostrum 5 і увійде до іспанської мережі суперкомп'ютерів, членом і координатором якої є Барселонський суперкомп'ютерний центр, щоб будь-який дослідник міг отримати до нього безкоштовний доступ. Той, хто потребує проведення експериментів, які передбачають завдання, що вимагають цієї технології, зможе подати проєкт на її використання, який буде оцінений та затверджений комісією експертів з того ж центру.

Таким чином, ми стоїмо перед найсучаснішою технологією у світі, і в той же час ми знаходимося в передісторії того, що ця технологія може запропонувати. Коли ми бачимо блискучий п'ятикубітний чіп, який щойно встановили в каплиці Барселонського суперкомп'ютерного центру, насправді ми стаємо свідками моменту, який завтра вивчатимуть як літопис квантових обчислень в Іспанії, подібно до того, як перфокарти минулого століття представляють витоки традиційних обчислень: початковий момент, який тільки час покаже, куди він може нас привести.