Google владеет чёртовой тучей компьютеров — примерно миллион их схвачены воедино, образовав самый быстрый и могущественный искусственный интеллект на планете. Но в прошлом августе Google, призвав на помощь NASA, создал то, что должно стать беспрецедентной по мощности вычислительной машиной. И уж точно самой необычной.
Находится этот супермозг в штаб-квартире NASA, в городе Маунтин Вью, Калифорния, в самом сердце Кремниевой Долины и в нескольких километрах от «Гуглплекса» — резиденции Google. Машина, о которой сегодня пойдёт речь — в буквальном смысле чёрный ящик, высотой в три метра. Львиную долю внутреннего пространства занимает холодильная установка, а ещё там находится единственная микросхема, и весьма непростая.
Это не традиционный кремниевый чип, это крохотные петельки ниобиевой проволоки, охлаждённой до невероятной температуры — в 150 раз ниже температуры космического пространства. Название этого левиафана, и вместе с тем, компании, которая его собрала, написано на боку ящика — D-WAVE. Разработчики утверждают, что это — первый в истории реальный квантовый компьютер, устройство, использующее радикально новые физические принципы для перемалывания цифр быстрее, чем любое другое устройство на Земле. Если они не врут, то это глобальный научный прорыв. Вопрос только один — врут или нет?
Хартмут Нивен, разработчик из Google, говорит непросто, как учёный из кинофильма. Он занимался для Google решением задач оптимизации — проблемами выбора наилучших вариантов движения промышленных роботов, прокладки автомобильных маршрутов и расчёта нефтяных месторождений. Это он убедил Google обратиться за поддержкой в NASA, потому что собственные ресурсы Google были на пределе. Техника, которую использует Google, говорит он, практически исчерпала на тот момент свои возможности.
Это оставляло Google два варианта: строить ещё больше традиционных машин на кремниевых микросхемах, либо изобрести совершенно новую, быстродействие которой было бы выше миллионов компьютеров, связанных вместе.
Так родилась идея квантового компьютера. Что средний лаптоп, что ангар, набитый серверами — используют для вычислений «биты», переключения между 1 и 0, комбинацией которых можно выразить любое число. Квантовый же компьютер использует, как вы можете догадаться, квантовые биты, или кьюбиты, которые могут существовать, как 1 и как 0 одновременно — этакий кот Шрёдингера. Такая машина способна оперировать сколь угодно большим количеством цифр в момент времени — это головоломная, «ночами-без-сна-на-одном-кофе» концепция, позволяет калькулировать с невиданными скоростями.
А может, это никакой и не квантовый компьютер? Вся идея настолько нова, что сами создатели не совсем в курсе — то ли D-WAVE это квантум-компьютер, то ли бесконечно шустрый, но классический аппарат. Вот что пытается понять Хармут Нивен, неделями сидя в лаборатории и учась общению со своим изобретением: может ли эта коробка что-то, что не под силу прочим? Если может, то — бум! «Это мы и назовём «квантовым могуществом», — говорит он. — «Что-то, что нет даже смысла искать в привычных нам вычислительных устройствах». Новый компьютерный век, если вкратце.
Чем дальше, тем страньше, как сказала бы Алиса из сказок Кэрролла. Сама концепция была придумана физиками (как и многие другие захватывающие вещи), а именно, американцем Ричардом Фейнманом в восьмидесятые годы прошлого века: в нашем макромире, для нашего макромозга, окружающая материя выглядит стабильной. Вот стол, вот стул, пожалуйте потрогать. Это всё потому, что мы не в состоянии увидеть субатомный, квантовый мир материи. Там, глубже, материя ведёт себя гораздо страньше: фотоны — электромагнитная энергия, вроде света или рентгеновских лучей, может вести себя как волна или как частица — в зависимости от того, каким образом её рассматривать.
Далее — если мы соединим квантовые свойства двух субатомных частиц, то изменение вида одной частицы немедленно меняет вид другой, даже если они находятся за километры друг от друга. Если одна превращается в волну, другая делает то же самое со скоростью, выше скорости света, при помощи непонятного человеку механизма. Это явление назвали «квантовой запутанностью».
Это и было идеей Фейнмана — частицы, размером меньше атома, могут быть более чем одной вещью одновременно. В классическом компьютере мы имеем или «вкл» или «выкл», ноль или единицу, в квантовом — ноль одновременно может быть единицей и наоборот. Интересно? Подождите, сейчас будет ещё занимательней.
Проблема оказалась в том, что кьюбиты, словно робкие влюблённые, не терпят постороннего внимания, немедленно выпадая из состояния согласованности, теряя свою «запутанность». Всего одна молекула воздуха может рассогласовать кьюбиты.
Это означает, что учёные не могут даже взглянуть на квантовый мир без того, чтобы не превратить его в первозданный хаос. Хотите — верьте, хотите — нет. Учёные вынуждены прятать кьюбиты, защищать их от внешних воздействий. Тепло или любые другие «помехи» портят квантовый компьютер, делают результаты вычислений бесполезными. Парадокс: даже успешно решив уравнение, вы не можете запросто увидеть результат, потому что под вашим взглядом весь квантовый мир рушится, как карточный домик. Вы спрашиваете у компьютера ответ и получаете мусор.
Из-за этой физики, не прощающей огрехов, учёные не могли построить компьютер с числом кьюбитов более двух-трёх. Они были дьявольски быстрыми, но не могли решать задач сложнее обычных лабораторных. Нужно было изобрести другой, с не столь хрупкими кьюбитами численностью не менее 1000. И к тому же такой, который можно было продать. На всё имелось десять лет.
В результате были обнаружены свойства ниобиевой проволоки, которая, будучи охлаждена практически до температуры абсолютного нуля, позволяла электрическим токам двигаться в двух направлениях одновременно. Каждая петелька такой проволоки представляла собой кьюбит. И петельки эти были достаточно велики по размеру — доли миллиметра, что позволяло собирать их в микросхему без применения сверхточных нанотехнологий. Такая машина могла заинтересовать кого угодно — Google, Wall Street, медицинские лаборатории.
ВНУТРИ D-WAVE
Внутренности D-Wave не похожи ни на один из известных сегодня компьютеров. Вместо металлов, впечатанных в кремниевую основу, процессор представляет собой петельки из металла ниобий, окружённые компонентами, задача которых — защитить микросхему от тепла, вибраций, электромагнитных полей. Изолируйте этот чип — и вы получите квантовый компьютер, в тысячи раз быстрее вашего лаптопа. По крайней мере, так утверждают его создатели.
A. Охладитель. Система на жидком гелии, охлаждающая микросхему D-WAVE до температуры в 20 милликелвинов — или ста пятидесяти раз холодней межпланетного пространства.
B. Теплоотвод. Позолоченные медные диски отводят от чипа тепло и вибрации, нарушающие квантовое состояние микросхемы.
C. Ниобиевые петли. Сеточка из сотен ниобиевых петель, служащих квантовыми битами, или кьюбитами, в самом сердце процессора. Охлаждённые, они демонстрируют свойства материи в рамках законов квантовой механики.
D. Подавление помех. 190 с лишним проводов, соединяющих компоненты компьютера, покрыты металлом для изоляции от электромагнитных полей. Один-единственный оптоволоконный кабель транслирует данные в окружающий мир.
Команда D-WAVE ютилась в крохотной лаборатории Университета Британской Колумбии, пытаясь понять, как контролировать эти микроскопические ниобиевые колечки. Сперва они собрали машину с единственным стабильным кьюбитом — это был уродец, склеенный при помощи изоленты. Потом кьюбитов стало два, потом — четыре. К 2007 году им удалось построить 16-кьюбитный вычислитель, первый, достаточно сложный для того, чтобы решать какие бы то ни было задачи. Сперва это были судоку, проблемы рассадки гостей за столом и сравнение молекулы с рядом других молекул из базы данных. Это был момент, когда разработчик Джорди Роуз сказал: «Чёрт побери, эта штука действительно делает то, чего мы от неё хотим». До этого он вообще не был уверен, что она будет на что-то годна.
Google только что купили готовый D-WAVE на 512 кьюбитов, но Роуз собирается строить следующий, мощностью в 1000.
Теперь о менее яркой стороне истории. По мере появления победных реляций, научный мир, скептически относящийся к прорывам вне академической сферы, потребовал доказательств. Были проведены тесты, в ходе которых D-WAVE решал те же задачи что и обычные десктоп-компьютеры на стандартном программном обеспечении. Результаты оказались далеко не победными — скорость решения проблем была сравнима, с ростом сложности задач квантовая машина отнюдь не прибавляла в эффективности. Квантовый компьютер вёл себя, как чрезвычайно дорогостоящий обычный.
Правда, сверхбыстродействие он всё-таки демонстрировал — но на очень специфическом ряде задач. Создатели квантового чудища сейчас заняты тем, что пытаются определить — что же отличает эти задачи от прочих. Квантовый компьютер может оказаться фантастически эффективным инструментом — но для решения узкого круга проблем. Чем-то вроде супер-скальпеля с узкой задачей. К тому же, напоминает всем его разработчик, не будем забывать, что за привычным всем лаптопом стоят десятилетия прогресса всей компьютерной отрасли и триллионы долларов инвестиций. Может, квантовая эра начнётся не с большого взрыва, как Вселенная, а будет развиваться медленно, как разгорается костёр?
3 431
