Технологические гиганты застряли в гонке.

Это может не закончиться еще десять лет, и может быть не один победитель. Но на финише приз, который они обещают, — это быстрая машина, квантовый компьютер , который за считанные минуты решит проблемы, которые сегодня вообще невозможно решить. Строители описывают революционное увеличение вычислительной мощности, которое ускорит разработку искусственного интеллекта, поможет разработать новые лекарства и предложит новые решения для борьбы с изменением климата.

Готовый. Установлен. Квант.

Опираясь на принципы физики и информатики, исследователи работают над созданием квантового компьютера, машины, которая превзойдет возможности компьютеров, которые мы используем сегодня, за счет более быстрой обработки информации. В отличие от экрана ноутбука, к которому мы привыкли, квантовые компьютеры отображают все свои внутренние органы. Часто цилиндрические, компьютеры представляют собой пугающую сеть катушек, пластин, проводов и болтов. И они огромные.

«Мы говорим о вычислительных устройствах, которые просто невообразимы с точки зрения их мощности в том, что они могут делать», — сказал Питер Чепмен, президент и главный исполнительный директор IonQ, стартапа, участвующего в гонке вместе с технологическими гигантами Microsoft, Amazon, Google, IBM, Интел и Ханивелл.

По данным Tractica, компании, занимающейся изучением рынка, которая изучает новые технологии и то, как люди взаимодействуют с техническими достижениями, компании испытывают всплеск интереса, который может вырасти до 9,1 миллиарда долларов к 2030 году.

Прямо сейчас каждая компания решает, как структурировать строительные блоки, необходимые для создания квантового компьютера. Одни полагаются на полупроводники, другие на свет. Третьи, в том числе Microsoft, связывают свои амбиции с ранее недоказанными теориями в физике.

«В итоге мы находимся в очень интенсивном режиме экспериментов в области квантовых вычислений, и это довольно ранние дни», — сказал Чираг Декате, изучающий отрасль в исследовательской фирме Gartner. «Мы находимся в состоянии классического компьютерного оборудования 1950-х годов».

«Вряд ли наступит момент, когда квантовые компьютеры начнут производить расчеты, которые изменят мир, чего с нетерпением ждут технологи», — сказал Питер МакМахон, профессор инженерии Корнельского университета. Скорее, «будет череда вех».

На каждом из них могла меняться компания-лидер гонки.

В октябре 2019 года Google заявила, что достигла «квантового превосходства» — вехи, когда одна из ее машин завершила расчет, на который у современных современных компьютеров ушло бы 10 000 лет. В октябре прошлого года стартап IonQ провел первичное публичное размещение акций, которое оценило компанию в 2 миллиарда долларов. В ноябре IBM заявила, что также создала квантовый процессор, достаточно большой, чтобы обойти современные машины.

В марте настала очередь Microsoft.

После фальстарта, из-за которого Microsoft отказалась от некоторых исследований, весной этого года компания заявила, что доказала физические принципы, необходимые для демонстрации того, что ее теория создания квантового компьютера действительно возможна.

«Мы рассчитываем извлечь из этого выгоду, чтобы сделать почти немыслимое», — сказала Криста Своре, инженер, возглавляющая квантовую программу Microsoft, в сообщении компании, объявляющем об открытии. «Это никогда не делалось раньше… [Теперь] вот это окончательное подтверждение того, что мы на правильном пути».

По замыслу разработчиков, квантовый компьютер использует субатомные частицы, такие как электроны, вместо потоков единиц и нулей, используемых сегодня компьютерами. При этом квантовый компьютер может одновременно исследовать невообразимое количество комбинаций единиц и нулей.

Важными преимуществами квантового компьютера являются скорость и многозадачность, что позволяет ему решать сложные задачи, которые поставили бы в тупик современные технологии.

Чтобы понять разницу между классическими компьютерами (компьютерами, которые мы используем сегодня) и квантовыми компьютерами (компьютерами, над которыми работают исследователи), представьте себе лабиринт.

Используя классический компьютер, вы находитесь внутри лабиринта. Вы выбираете путь наугад, прежде чем понимаете, что это тупик, и возвращаетесь назад.

Квантовый компьютер дает вид лабиринта с высоты птичьего полета, где система может видеть сразу несколько разных путей и быстрее достигать выхода.

«Чтобы пройти лабиринт, возможно, вам придется пройти 1000 раз, чтобы найти правильный ответ», — сказал Чепмен из IonQ. «В квантовых вычислениях вы можете протестировать все эти пути одновременно».

Исследователи предполагают, что квантовые компьютеры используются предприятиями, университетами и другими исследователями, хотя некоторые лидеры отрасли также говорят о квантовых вычислениях как о технологии, которая откроет новые идеи, которые наш мозг пока не может себе представить. (Маловероятно, что в среднестатистической семье в ближайшее время появится комната с квантовым компьютером.)

Microsoft недавно заключила партнерское соглашение с компанией AkzoNobel, занимающейся производством красок и покрытий, для создания «виртуальной лаборатории», где она будет тестировать и разрабатывать экологичные продукты с использованием квантовых вычислений, чтобы преодолеть некоторые ограничения, мешающие работе традиционной лаборатории, такие как доступ к сырью, нехватка места. и опасения по поводу токсичности.

Goldman Sachs работает над использованием квантовых вычислений для ускорения оценки рисков трейдерами с Уолл-стрит. Boeing хочет использовать передовую технологию для моделирования того, как материалы будут реагировать на различные среды, в то время как ExxonMobil планирует использовать ее для моделирования химических свойств водорода, надеясь разработать новые материалы, которые можно будет использовать для производства возобновляемой энергии.

В долгосрочной перспективе компании стремятся к «отказоустойчивому» квантовому компьютеру, который будет продолжать работать правильно, даже если компоненты выйдут из строя. Чтобы достичь этого, исследователи сосредоточены на одной вещи: кубите.

Компьютеры, которые мы используем сегодня для поиска лучших ресторанов или проверки погоды, полагаются на биты, единицу информации в компьютерном мире, которая обычно равна нулю или единице. Квантовые компьютеры полагаются на кубиты, сокращенно квантовые биты, единицу квантовой информации, которая может быть (как ни странно) и нулем, и единицей одновременно.

В классическом компьютере бит переключается между нулем и единицей. В квантовом компьютере кубит может находиться в обоих состояниях одновременно, что позволяет ему одновременно оценивать разные возможности.

«Полезно думать о кубитах как о вращающейся монете», — сказал Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. (Сам Кларк так предан кубитам, что назвал в их честь свою немецкую овчарку.)

Пока монета вращается, она ненадолго выпадает и орлом, и решкой, прежде чем приземлится то на одну, то на другую сторону. Электроны, используемые для квантовых вычислений в машинах Intel, имеют среднее вращение.

Но кубиты легко повреждаются практически всем, включая свет, шум и изменения температуры. «Кубиты, как известно, непостоянны, — сказал Чепмен из IonQ. «Они интроверты мира».

Если кубит слишком побеспокоится, он потеряет информацию, которую несет, что сделает вычисления компьютера менее надежными.

Когда ученые-компьютерщики, физики и инженеры думают о своей квантовой стратегии, большая часть дискуссий вращается вокруг того, как лучше всего поддерживать эти кубиты в комфортных условиях. Затем эта дискуссия порождает другую: как лучше всего построить кубит?

Intel использует полупроводники. Google, IBM и Amazon Web Services используют сверхпроводники. IonQ использует подход, заключающийся в том, что атомы помещаются в вакуумную герметичную камеру для создания так называемых кубитов с «захваченными ионами». Другие компании используют свет.

Microsoft стремится создать что-то новое. Он использует подход, основанный на физике, для создания того, что он называет «топологическими кубитами». В марте компания заявила, что стала на шаг ближе, успешно продемонстрировав физику своей философии кубитов.

Но это было сказано раньше. В 2018 году группа исследователей под руководством Microsoft опубликовала статью, в которой говорилось, что они нашли доказательства того типа физики, который они хотели доказать. В прошлом году группа отозвала статью, написав, что «больше не может претендовать на наблюдение».

С тех пор команда Microsoft разработала новый протокол, предназначенный для «отсеивания ложных срабатываний», — сказал Своре, который работает над квантовым проектом в штаб-квартире Microsoft в Редмонде. «Мы более чем когда-либо уверены в нашем подходе».

«Точно так же, как я не могу доказать, что завтра взойдет солнце, Microsoft не может доказать, что она может создавать кубиты, на которые надеется», — сказала она. Но «теперь мы продемонстрировали на нескольких устройствах, что физика здесь».

Несмотря на соревновательную гонку, может быть несколько призов.

«Все технологии имеют свои преимущества и недостатки, — сказал Фред Чонг, профессор компьютерных наук Чикагского университета. «Многие из этих вещей все еще развиваются. Некоторые технологии хороши для краткосрочной и среднесрочной перспективы, некоторые из них находятся в более отдаленном будущем, некоторые из них — в очень далеком будущем».

Для определения кратчайшего маршрута из Сиэтла в Портленд лучше всего использовать один подход, тогда как для ускорения химической реакции может потребоваться что-то другое.

Большинство компаний, участвующих сегодня в гонке, разработают «довольно надежные квантовые машины», сказал Чонг, и клиенты будут искать способы «использовать свои сильные стороны и смягчить свои слабые стороны».

Тем временем Amazon, Google и Microsoft размещают квантовые технологии своих конкурентов наряду со своими собственными, надеясь, что клиенты смогут поиграть с этой технологией и придумать способы ее применения, о которых они еще не могли и мечтать. Точно так же, как компании могут покупать облачное пространство и технологии цифровой инфраструктуры у Amazon Web Services или Google Cloud, технологические компании теперь предлагают клиентам квантовые вычисления с оплатой по мере использования.

«На данном этапе технологии важно исследовать различные типы квантовых компьютеров», — сказала Надя Карлстен, бывший руководитель отдела продуктов в Центре квантовых вычислений AWS. «Неясно, какой компьютер будет лучшим из всех претендентов. На самом деле очень вероятно, что лучшего не будет».

Декейт, который анализирует квантовую индустрию для исследовательской и консалтинговой фирмы Gartner, говорит, что квантовые технологии, возможно, достигли пика своего «цикла ажиотажа».

По его словам, волнение и финансирование квантовой индустрии растет, указывая на возрастающий наклон на линейном графике. «Теперь это может быть поворотный момент», — продолжил он, указывая на точку прямо перед тем, как линейный график совершит пикирование.

Цикл ажиотажа — это пятиэтапная модель, которую Gartner использует для анализа новых технологий, чтобы помочь компаниям и инвесторам решить, когда вступать в дело, а когда обналичивать деньги. Для завершения цикла требуется от трех до пяти лет, если новая технология выдержит испытание временем.

Предиктивная аналитика добралась до пятой фазы, где пользователи видят реальные преимущества. Автономные транспортные средства находятся на третьем этапе, когда первоначальный энтузиазм угасает, а первые пользователи сталкиваются с проблемами. По словам Декат, квантовые вычисления находятся на второй фазе, пике ожиданий.

«Для развития любой отрасли нужна шумиха. Это вдохновляет на инвестиции», — сказал он. «Что происходит в этих экосистемах, так это то, что конечные пользователи [например, предприятия и другие предприятия] увлекаются чрезмерной шумихой».

Некоторые квантовые компании приближаются к срокам, которые они изначально установили для себя, в то время как другие уже прошли свои сроки. По оценкам Декейт, технология все еще по крайней мере в 10 годах от получения результатов, которые ищут компании. И инвесторы понимают, что прибыли они не увидят в ближайшее время.

Декейт предсказывает, что на следующей фазе цикла ажиотажа частные инвестиции в квантовые вычисления сократятся, государственные инвестиции вырастут в попытке компенсировать разницу, а компании, которые дали обещания, которые они больше не могут выполнять, окажутся застигнутыми врасплох. на ногах. По его словам, вероятны слияния, консолидация и банкротство.

«Макроэкономическая динамика, в которую мы собираемся войти, я думаю, означает, что некоторые из этих компаний могут не выжить», — сказал Декате. «Экосистема созрела для разрушения: слишком большая фрагментация и компании, которые обещают слишком много, но не выполняют».

Другими словами, мы можем двигаться к «квантовой зиме».

Но даже во время заморозки финансирования предприятия все чаще ищут способы использования квантовых вычислений, готовясь к тому моменту, когда технология будет готова, сказал Декейт. В то время как Amazon, Microsoft, Google и другие компании разрабатывают свои квантовые компьютеры, такие компании, как BMW, JPMorgan Chase, Goldman Sachs и Boeing, составляют список проблем, которые компьютер должен решить в один прекрасный день.

Настоящие изменения произойдут, когда эта петля замкнется, сказал Декат, когда будет готова технология и поставлены вопросы.

«В какой-то момент классические [вычислительные] подходы остановятся и столкнутся с естественными ограничениями», — сказал он. До тех пор « квантовые вычисления будут вызывать восторг и в то же время разочарование».