Текущий 2025 год провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН Международным годом квантовой науки и технологий (International Year of Quantum Science and Technology — IYQ). Далась ООН эта всемирная инициатива не сразу и не просто. Как подчеркивается в этой Декларации ООН, она стала кульминацией многолетних усилий, предпринятых международной коалицией научных организаций. В список участников этой коалиции входили Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP), Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), Международный союз кристаллографии (IUCr) и Международный союз истории и философии науки и техники (IUHPST), Американское физическое общество, Немецкое физическое общество, Китайское оптическое общество, Международное общество оптики и фотоники (SPIE) и еще ряд организаций, включая одобрившую это начинание Российскую Академию наук.
В мае 2024 года представитель Ганы официально представил проект резолюции Генеральной Ассамблее ООН. Он получил поддержку более 70 стран, и 2025 год стал годом квантовой науки и технологий, а это, в свою очередь, означает, что в течение нынешнего года правительствам всех стран следует предпринять все усилия, чтобы повысить знания людей о важности квантовой науки и техники для реализации целей устойчивого развития стран в XXI веке и обеспечить всем странам доступ к квантовому образованию и квантовым возможностям. И это при том, что главный идеолог квантовых компьютеров и один из отцов-основателей квантовой электродинамики и Ричард Фейнман, получивший за это в 1965 году Нобелевскую премию, говорил: «Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя “Да как же это возможно?” — или вас занесет в тупик, из которого еще никто не выбирался».
Впрочем, представитель Ганы весьма аккуратно сформулировал главную задачу Года квантовой науки и технологий: надо предпринять все усилия, чтобы повысить знания людей не в этой науке и вытекающих из нее технологиях, а их знания о ее важности, убедить человечество, что без квантовых возможностей, в том числе квантовых компьютеров, его, человечество, ждет крайне неустойчивое развитие. Иными словами, это вопрос веры, и ничего смешного в этом нет, потому что квантовый компьютер сам родился из веры в него.
Его история начинается с того момента, когда физики-теоретики, работавшие в области квантовой физики, убедили сами себя, то есть поверили, что такой вычислительный автомат, при соблюдении ряда условий, не противоречит известным им законам квантового мира и в перспективе может стать похлеще классического компьютера по скорости и объемам вычислений. Их публикации в научных журналах и доклады на научных конференциях на этот счет пошли одна за другой в первой половине 1980-х годов, когда в мире компьютеров Тьюринга эпоха мейнфреймов безвозвратно уходила в прошлое и начиналась эра ПК.
Детали гипотез квантового компьютера в изложении их физиками того времени понять «средним умом» невозможно. Эти публикации были предназначены таким же высококвалифицированным специалистам в области квантовой физики, как их авторы. Тем не менее, просмотреть их полезно. Помимо научного сленга и бесконечных рядов математических формул, там все-таки встречаются простые человеческие слова, причем в достаточном количестве, чтобы даже неспециалист понимал, о чем идет речь.
Но лучше начать с пророчества квантового компьютера, своего рода квантовой Нагорной проповеди, провозглашенной 29 декабря 1959 года Ричардом Фейнманом с трибуны ежегодной встречи Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте (кстати, мы уже писали о его наиболее известной книги на Хабре здесь). И тема его доклада-лекции выглядела пугающе мистически: «Там внизу много места». Ее конспект у Фейнмана, наверное, имелся, но опубликована была отредактированная магнитофонная запись того, что он говорил, и что, как писал журнал «New Scientist», «заворожило научную аудиторию».
Строго говоря, Фейнман говорил о возможности прямого манипулирования атомами и молекулами, и сейчас это называют нанотехнологиями, а Фейнмана — их отцом-основателем. Но нашлось «внизу» место и компьютерам. «Каждый, кто изучал логическую теорию компьютеров, приходил к выводу, что возможности компьютеров были бы очень интересны, если бы их можно было усложнить на несколько порядков, — говорил Фейнман. — Если бы у них было в миллионы раз больше элементов, они могли бы принимать собственные решения. У них было бы время рассчитать, как лучше всего выполнить расчеты, которые они собираются сделать. Они могли бы выбирать метод анализа, который, исходя из их опыта, был бы лучше, чем тот, который мы бы им предложили. И во многих других отношениях у них появились бы новые качественные характеристики».
Далее ученый рассказал, почему нельзя сделать такими, как он выразился, «наши замечательные компьютеры»: «Если бы мы хотели создать компьютер, обладающий всеми этими чудесными дополнительными качественными возможностями, нам пришлось бы сделать его, возможно, размером с Пентагон. …Во-первых, для этого требуется слишком много материала; в мире может не хватить германия для всех транзисторов, которые нужно было бы встроить в эту огромную штуку. Существует также проблема тепловыделения и энергопотребления…. Но еще более серьезная практическая трудность заключается в том, что компьютер был бы ограничен определенной скоростью».
«Зато маленький компьютер, который я ношу в своей голове, легко может все это сделать. Компьютеры, которые мы создаем, не способны на это», — добавил он, имея в виду свой собственный мозг. Аналог такого сверхкомпьютера, причем сверхмалого размера, Фейнман видел в природе.
«Биологический пример записи информации в малом масштабе вдохновил меня на мысль о том, что это должно быть возможно, — говорил он. — Ведь жизнь — это не просто запись информации, это что-то с ней делающее. Биологическая система может быть чрезвычайно маленькой. Многие клетки очень маленькие, но они очень активны; они вырабатывают различные вещества, они шевелятся, передвигаются, делают всевозможные удивительные вещи — и все это в очень малых масштабах. Кроме того, они хранят информацию. Вся информация о том, карие ли у нас глаза, думаем ли мы вообще, или о том, что у эмбриона сначала должна развиться челюстная кость с небольшим отверстием сбоку, чтобы позже через нее мог прорасти нерв — вся эта информация содержится в очень маленькой части клетки в виде длинноцепочечных молекул ДНК, в которых примерно 50 атомов используются для получения одного бита информации о клетке».
«Когда мы попадаем в очень-очень маленький мир, скажем, в схему из семи атомов, у нас возникает множество новых возможностей для проектирования. Атомы в малом масштабе ведут себя совершенно не так, как в большом, поскольку они подчиняются законам квантовой механики, — напомнил Фейнман коллегам. — Когда мы спускаемся вниз и возимся там с атомами, мы работаем с другими законами... Мы можем использовать какую-то систему, включающую квантованные уровни энергии или взаимодействия квантованных спинов и т.д.».
Наговорил Фейнман на той своей лекции-экспромте много еще чего и не только про компьютеры, но что касается них, то он завершил свои мысли о принципиально новом компьютере так: «В любом случае, похоже, что законы физики не создают препятствий для уменьшения размеров компьютеров до тех пор, пока биты не станут размером с атомы, а квантовое поведение не станет доминирующим… Подумайте о такой возможности».
Но преувеличивать роль этой лекции Ричарда Фейнмана в создании квантового компьютера не стоит. Пользуясь современной терминологией, ее можно назвать мягким, интеллигентным троллингом своих коллег-физиков, в том числе тех, кто проектировал мейнфреймы того времени. Он и сам об этом предупредил в первых же фразах своей лекции: «Я рассказываю вам, что можно было бы сделать, если законы физики такие, как мы думаем; и мы не делаем этого просто потому, что у нас еще не дошли до этого руки».
Руки до этого у физиков не доходили еще двадцать лет. В 1980 году профессору кафедры высшей алгебры МГУ Юрию Ивановичу Манину в своей книге «Вычислимое и невычислимое» пришлось, по сути, повторить то, о чем говорил Ричард Фейнман в 1959 году. Книжка профессора Манина была, кстати, не научной монографией, а научно-популярная.
«Молекулярная биология доставляет образцы поведения естественных (не сконструированных человеком) систем, которое мы вынуждены описывать в терминах, близких к принятым в теории дискретных автоматов, — писал профессор Манин. — На рис. 2 изображена схема синтеза белка на информационной РНК: она очень похожа на изображение машины Тьюринга, копирующей информацию с одной ленты на другую».
И продолжал: «Классические непрерывные системы, управляемые дифференциальными уравнениями, могут имитировать дискретные автоматы лишь при исключительно сложной структуре своего фазового пространства: обилии областей устойчивости, разделенных невысокими энергетическими барьерами. Ввод программы проделывает изощренную систему проходов в этих барьерах, предопределяя движение фазовой траектории по этому лабиринту. Как физическая система вычислитель должен быть очень неустойчив, ибо ошибка в один знак в программе, вообще говоря, приводит к совершенно другой траектории. Но сам процесс вычисления должен быть беспримерно стабильным, т. е. самопроизвольные ошибки (переход траектории через барьер, который должен быть закрыт, в результате флюктуации) должны иметь весьма малую вероятность. Хорошо известно, что эти требования (в сочетании с медленностью работы и экспоненциальным ростом диссипируемой энергии при увеличении сложности) поставили барьер перед развитием механических компьютеров».
Тут профессор Манин приводит пример из статьи 1975 года «Термодинамические модели информационных процессов» своего коллеги физика Романа Павловича Поплавского, завлаба НИИ приборной автоматики (бывшего Института №5 ГАУ МО СССР, а ныне подразделения концерна «Алмаза-Антей»), где была проведена оценка квантово-механического расчета молекулы метана, для чего «требуется провести вычисления по методу сеток в 1012 точках. Если считать, что в каждой точке следует выполнить всего 10 элементарных операций, и предположить, что все вычисления производятся при сверхнизкой температуре, то и при этом расчет молекулы метана потребует израсходовать энергию, производимую на Земле примерно за столетие».
Впрочем, книжку Манина на русском языке (на любой другой она никогда не переводилась) читали только у нас, равно как и сам Манин не читал лекцию Ричарда Фейнмана (иначе он об этом упомянул). Читали на Западе и Востоке (в Японии и Китае) разве что статью Поплавского, где была показана вычислительная невозможность симуляции квантовых систем на классических компьютерах вследствие принципа суперпозиции. Журнал «Успехи физических наук» АН СССР, где она была опубликована, тогда уже выходил параллельно на русском и английском языках.
Отсыл Фейнманом и Маниным их коллег к полностью «компьютеризированному» и работающему в режиме АМУ микромиру живых организмов не пропали втуне. В 1990-е годы появились секвенаторы, с приличной скоростью считывающие последовательности миллионов и миллиардов нуклеотидов в ДНК и РНК, а в 2020 году за изобретение «молекулярных ножниц» (CRISPR-Cas9) была присуждена Нобелевская премия по химии, и молекулярные биологии в развитых странах, включая нашу, уже кроят по своему усмотрению ДНК и РНК, то есть занимаются их программированием. Пока что у бактерий для биотехнологических целей, но уже готовы к святотатственному перепрограммированию и более продвинутых тварей божьих. Но здесь обошлось без квантовых технологий.
Начало 80-х годов стало, образно говоря, моментом истины для квантового компьютера. В 1980 году в Journal of Statistical Physics вышла статья Пола Бениоффа (который, кстати, по университетскому диплому был ботаником и лишь потом променял ботанику на ядерную химию) «Компьютер как физическая система. Микроскопическая квантово-механическая гамильтонова модель компьютеров как машин Тьюринга». В начале статьи доктор Бениофф пишет: «Почти все считают само собой разумеющимся, что компьютер — это физическая система, которая должна подчиняться законам физики. …Физика накладывает фундаментальные ограничения на процесс вычислений. ...Компьютеры являются диссипативными открытыми системами, для работы которых требуется энергия. Фактически все компьютеры, построенные до сих пор, относятся к этому типу. …Возникает вопрос, является ли природа вычислительного процесса такой, что он в принципе должен быть представлен как эволюционирующая диссипативная открытая система. Или же возможно построить модель вычислительного процесса как эволюционирующей закрытой консервативной системы».
Затем идут 27 страниц математических формул, а в самом конце статьи еще два предложения без формул: «Полученные здесь результаты действительно позволяют предположить, отвечая на вопрос, поставленный в начале этой статьи, что вопреки тому, что можно было бы подумать, вычислительный процесс может быть представлен как эволюционирующая замкнутая консервативная квантово-механическая система. Однако этот вывод пока не обоснован».
Обосновал его сам же Бениофф в следующей своей статье «Квантовомеханические гамильтоновы модели машин Тьюринга» в том же журнале в 1982 году, где он сначала делает реверанс в сторону своих сторонников: «В последние годы наблюдается всплеск интереса к физическим ограничениям вычислительного процесса. В частности, предметом многочисленных дискуссий являются энергетические затраты на вычисления или передачу информации, а также необходимость рассеивания энергии. Но еще несколько лет назад считалось, что с процессом вычислений должна быть связана диссипация, поскольку этот процесс необратим. Однако в 1973 году Беннетт построил обратимые модели вычислительного процесса и обсудил термодинамически обратимые модели вычислений. А недавние работы на эту тему, в которых предполагается, что энергия обязательно рассеивается в процессе вычислений, были подвергнуты критике со стороны Дойча». Потом идут математические формулы алгоритмов расчетов, на этот раз их 37 страниц, а заканчивается все это так: «В заключение следует отметить, что здесь было показано математическое существование недиссипативных квантово-механических гамильтоновых моделей для конечного числа шагов любых вычислений на машине Тьюринга. Однако остается открытым вопрос о том, действительно ли такие модели могут быть построены в лаборатории».
Не имея ни малейшего желания вторгаться в азы квантовой физики и даже близко подходить к ним, мы сделали столь подробный разбор статей Бениоффа исключительно с целью избежать анахронизмы, кои, к сожалению, встречаются в канонической истории квантового компьютера как раз из-за невольного перенесения в прошлое современного взгляда на него. Сейчас, задним числом, ясно, что в статьях Бениоффа обосновано то, что «квантовые компьютеры Тьюринга», как тогда их называли, теоретически могут не только выполнять задачи классических вычислений, но также могут использовать квантовые эффекты суперпозиции и запутанности для выполнения операций, которые не может выполнить ни один классический компьютер, и в зародыше присутствует идея квантовых вентилей и схем, которые работают с квантовыми битами (кубитами). Но стройная современная картинка с кубитами, их запутанностью, суперпозицией, телепортацией, квантовым превосходством выкристаллизовалась гораздо позже. Как известно, семантическая реальность и истина — разные вещи. Теоретики квантового компьютера начала восьмидесятых годов жили в иной реальности и при общении между собой прекрасно обходились без нынешней терминологии.
Публикация Бениоффа оказала на них сильное действие. На арену снова выходит Ричард Фейнман и опять в роли шталмейстера или, чтобы не обижать физиков, модератора ее обсуждения и оракула новой компьютерной реальности. На Первой конференции по физике вычислений в Массачусетском технологическом институте (MIT), организованной MIT и IBM в мае 1981 года, на которой присутствовали ведущие западные теоретики и практики компьютерных вычислений, включая их патриарха Конрада Цузе. Ричард Фейнман, уже Нобелевский лауреат, опять выступил с основным докладом.
На этот раз он в отличие от своей программной речи в 1959 году, говорил не о том, что надо научить муравья, чтобы тот, в свою очередь, обучил более мелкого клеща работать по заказу человека, а о том, что «природа, черт возьми, не классическая, и если вы хотите смоделировать природу, вам лучше сделать ее квантово-механической, и, ей-богу, это замечательная проблема, потому что это выглядит не так-то просто». Ничего революционного в отличие от Бениоффа он в своем докладе не предложил. Любой может убедиться в этом, прочитав в International Journal of Theoretical Physics, т. 21, №. 6/7, 1982. публикацию его выступления в MIT.
Там Фейнман лишь еще раз доказательно продемонстрировал, что квантовая система не может быть вероятностно смоделирована классическим компьютером. Для этого нужна не машина Тьюринга, а машина другого типа. А предложенный самим Фейнманом «универсальный квантовый симулятор» из решетки спиновых систем с взаимодействиями между ближайшими соседями, едва ли мог быть такой новой машиной, и сам Фейнман это понимал.
«Поэтому необходим какой-то новый подход, но физики, будучи довольно тупыми, смотрят только на природу и не знают, как мыслить новыми категориями», — так ответил он вопрос из зала при обсуждении его доклада. Коллеги не обижались на довольно сильные фигуры его речи. Он, похоже, обладал талантом лидера увлекать их за собой. Можно сказать, что в истории квантового компьютера 80-е годы прошли в влиянием этого программного выступления Фейнмана в конференц-зале MIT. Позже он и сам поучаствовал в реализации некоторых деталей архитектуры квантового компьютера.
Следующим важным событием в истории создания квантового компьютера стала публикация статьи Дэвида Дойча из Оксфорда «Квантовая теория, принцип Черча-Тьюринга и универсальный квантовый компьютер», опубликованная в 1985 году в «Proceedings of the Royal Society of London». Считается, что именно Дойч предложил архитектуру универсального квантового компьютера (сам он его называл «компьютер Q» или просто «Q»), в котором квантовые логические элементы работают с суперпозицией состояний, позволяя компьютеру выполнять множество вычислений одновременно.
«Q допускает еще один класс программ, которые преобразуют базовые состояния вычислений в линейные суперпозиции друг друга», — писал Дойч, и по сути, это была первая обоснованная заявка на «квантовое превосходство». Теоретическая модель его «Q», как считают IT-историки, «заложила основу для всех будущих исследований в области квантовых вычислений и превратила теорию в потенциальную технологическую реальность».
В начале 90-х годов Дэвид Дойч разработал первый квантовый алгоритм, который известен как «алгоритм Дойча». Следом за ним появились алгоритм Шора, позволяющий эффективно раскладывать большие целые числа на простые сомножители, и алгоритм Гровера, ускоряющий поиск в неупорядоченном списке. А поскольку алгоритм — это, по-простому говоря, пошаговая инструкции действий на реальном квантовом компьютере, было ясно, что тот должен вот-вот появиться.
Появился он практически одновременно — весной 1998 года — в Америке, где физики из IBM, MIT и Калифорнийского университета в Беркли создали 2-кубитный компьютер на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для обработки квантовых состояний и провели на нем первую экспериментальную демонстрацию работы квантового алгоритма Гровера, и в Англии, где физики из Оксфорда сделали фактически то же самое для алгоритма Дойча. И в том же 1998 году, только в августе, в Кембридже появился 3-кубитный компьютер, тоже для реализации алгоритма Дойча-Джоза.
В то время, когда уважающий себя народ даже у нас сидел за «пентиумами» с Windows 95 и Windows 98, а кое-кто уже носил с собой ноутбуки, называть то, что сделали квантовые физики, компьютером было по меньшей мере странно. Это был некий агрегат, где в сосуде с хлороформом (в США) или 2,3-дибромпропановой кислотой (в Англии) физики с помощью радиочастотных импульсов игрались со спинами ядер атомов водорода и углерода. Тем не менее, сами физики, не стесняясь, писали в заголовках своих сообщений в научных журналах о «Реализации алгоритма квантового поиска на квантовом компьютере с ядерным магнитным резонансом». И в общем-то имели на то право.
«Используя методы ядерного магнитного резонанса с раствором молекул хлороформа, мы реализуем алгоритм поиска системы с четырьмя состояниями, предложенный Гровером. При выполнении томографической реконструкции матрицы плотности во время вычислений наблюдается хорошее соответствие между теорией и экспериментом. Это обеспечивает первую полную экспериментальную демонстрацию загрузки начального состояния в квантовый компьютер, выполнения вычислений, требующих меньшего количества шагов, чем на классическом компьютере, и последующего считывания конечного состояния», — писали они в статьях и докладывали на симпозиумах.
Чем не компьютер? Загружаем в него данные, он считает и выдает результат. Да, он был сделан для решения придуманных для него задач, имеющих мало общего с реальностью, а скорее с математикой, причем не классической, а квантовой математикой Гейзенберга, Шредингера, Дирака и иже с ними, нарушающей все три закона аристотелевой логики, которая делает нашу жизнь понятной во всех отношениях.
Но все же по сравнению с привычным компьютером Тьюринга, это был скорее симулятор (как его часто называют), то есть модель будущего квантового компьютера. К тому же он сильно барахлил. Например, у американцев погрешности вычислений составляли 7-44%, в основном «из-за неоднородности магнитного поля, ослаблением намагниченности во время измерения и т.п». Но так как физикам было ясно, как это исправить, то остальное было, как говорится, делом техники. Сейчас верность расчетов на квантовых компьютерах, говорят, превышает 99%.
В следующей статье мы подробно расскажем о том, какая началась патентная гонка за квантовыми компьютерами в первые десятилетия XXI века.