Читать книгу "Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё"

К несчастью, эти животрепещущие интеллектуальные дебаты были прерваны нарастающей волной мировой войны. Ученые дискуссии о квантовой теории внезапно сделались смертельно опасными, поскольку и нацистская Германия, и США запустили ударные программы по разработке атомной бомбы. Вторая мировая война имела для физического сообщества разрушительные последствия.

Планк, наблюдая массовую миграцию физиков-евреев из Германии, лично встретился с Адольфом Гитлером, умоляя его прекратить преследование физиков-евреев, которое уничтожало немецкую физику. Однако Гитлер только разозлился и накричал на Планка.

Позже Планк сказал: «Невозможно говорить с этим человеком на языке разума». Один из сыновей Планка, Эрвин, в дальнейшем оказался вовлечен в заговор с целью убийства Гитлера. Он был пойман и подвергнут пыткам. Планк попытался спасти жизнь сына, обратившись напрямую к Гитлеру, но в 1945 г. Эрвин был казнен.

Нацисты объявили награду за голову Эйнштейна. Его портрет был напечатан на обложке одного из нацистских журналов с подписью «Еще не повешен». Эйнштейн бежал из Германии в 1933 г., чтобы никогда не возвращаться.

Эрвин Шрёдингер, став свидетелем избиения еврея нацистами на улицах Берлина, попытался остановить нападавших, но сам был избит эсэсовцами. Потрясенный, он покинул Германию и принял предложение о работе в Оксфордском университете. Приезд его, правда, вызвал споры, поскольку он приехал в Оксфорд с женой и любовницей. Затем ему предложили место в Принстоне, но историки считают, что это предложение он отверг по той же причине. В конечном итоге он оказался в Ирландии.

Нильсу Бору, одному из основателей квантовой механики, пришлось бежать в США, спасая собственную жизнь; покидая Европу, он чуть не погиб.

Вернер Гейзенберг – один из величайших, возможно, квантовых физиков Германии – был поставлен во главе проекта по разработке атомной бомбы для нацистов. Однако его лаборатории приходилось то и дело переезжать из-за бомбежек союзников. После войны он был арестован союзниками. (К счастью, Гейзенбергу был неизвестен один ключевой параметр – вероятность расщепления атома урана, поэтому с разработкой атомной бомбы у него возникли проблемы и нацисты в результате так и не получили ядерного оружия.)

В трагический послевоенный период люди начали осознавать громадную мощь квантовых процессов, запущенных в небе над Хиросимой и Нагасаки. Квантовая механика внезапно оказалась вовсе не игрушкой физиков, но теорией, способной раскрывать тайны Вселенной и определять судьбу рода человеческого.

Но из пепла войны на горизонте встало новое квантовое изобретение, которому суждено было изменить саму ткань современной цивилизации: транзистор. Может быть, громадную мощь атома удастся применить в мирных целях.

Глава 4
Квантовые компьютеры: начало

Транзистор парадоксален.

Обычно чем крупнее изобретение, тем оно мощнее. Огромные двухпалубные реактивные авиалайнеры способны за несколько часов перенести множество пассажиров на другой конец света. Сегодняшние ракеты – это башнеподобные конструкции, способные отправить на Марс полезный груз в несколько тонн. Большой адронный коллайдер длиной около 27 км стоит больше 10 млрд долларов и может когда-нибудь раскрыть секрет Большого взрыва. Его окружность так велика, что внутри периметра установки могла бы разместиться значительная часть города Женевы.

Тем не менее транзистор – возможно, самое важное изобретение ХХ в. – настолько мал, что на ногте вашего пальца их можно уместить буквально миллиарды. При этом не будет преувеличением сказать, что он произвел революцию во всех аспектах человеческого общества.

Так что иногда чем меньше, тем лучше. К примеру, на ваших плечах располагается самый сложный объект в известной нам Вселенной – человеческий мозг. Состоящий из 100 млрд нейронов, каждый из которых соединен примерно с 10 000 других нейронов, мозг человека по своей сложности превосходит все известное современной науке.

Таким образом, хотя и микросхему, сделанную из миллиардов транзисторов, и человеческий мозг можно взять в руку, то и другое – самые хитроумно устроенные из известных нам объектов.

Почему так? Их невероятно малый размер скрывает тот факт, что внутри них можно хранить огромные объемы информации и манипулировать ими. Более того, способ хранения этой информации напоминает работу машины Тьюринга, что обеспечивает громадную вычислительную мощность. Именно микросхема – сердце любого цифрового компьютера с конечной входной лентой (хотя в принципе машины Тьюринга могут иметь бесконечную входную ленту). А мозг – это обучающаяся машина, или нейронная сеть, которая непрерывно совершенствует себя по мере усвоения нового. Кроме того, машину Тьюринга можно модифицировать так, что она будет способна к обучению подобно нейронной сети.

Но если мощь транзистора исходит от его микроскопичности, то встает следующий вопрос: насколько компактным можно сделать компьютер? Каков самый маленький транзистор?

Три физика получили в 1956 г. Нобелевскую премию за создание этого чудо-устройства. Это были ученые из Лабораторий Белла: Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли. Сегодня копия первого в мире транзистора демонстрируется под стеклом в витрине Смитсоновского музея в Вашингтоне. Это грубое, неуклюжее с виду устройство. Но известно, что группы ученых со всего мира подходят к этому транзистору с молчаливым уважением, а некоторые даже кланяются перед ним, как если бы это было некое божество. Для его создания Бардин, Браттейн и Шокли использовали новую квантовую форму вещества, известную как полупроводник. (Металлы являются проводниками, то есть в них возможен свободный ток электронов. Изоляторы, такие как стекло, пластик или резина, не проводят электричество. Полупроводники занимают промежуточное положение и могут как пропускать, так и останавливать ток электронов.)

Транзистор использует это принципиально важное свойство полупроводника. В значительной мере он является преемником старой вакуумной электронной лампы, которую умело использовали Тьюринг и остальные. Как мы видели, и электронную лампу, и транзистор можно в какой-то мере сравнить с клапаном, регулирующим поток воды в трубе. Небольшой клапан позволяет управлять гораздо более мощным потоком воды, идущим по основной трубе. Его можно либо запереть, что соответствует нулю, либо оставить открытым, что соответствует единице. Таким способом происходит четкое управление течением воды в сложной системе труб. Если же заменить клапан транзистором, а водяные трубы проводами, по которым течет электрический ток, то мы получаем цифровой компьютер на транзисторах.

Если по своему функционалу транзистор действительно напоминает вакуумную электронную лампу, то на этом сходство и заканчивается. Электронные лампы достаточно грубы и известны своей капризностью. (Помню, как в юности мне пришлось разобрать свой телевизор, вынуть из него вручную все лампы и потом долго и нудно проверять каждую из них в супермаркете, чтобы понять, которая сгорела.) Лампы занимали много места, они были ненадежны и очень быстро выходили из строя.

Транзистор, изготовленный из тонких кремниевых пластинок, напротив, может быть прочным, дешевым и микроскопическим по размеру. Их можно производить массово, примерно так же, как сегодня делают рисунок на футболке.

Рисунок на футболку наносят по пластиковому трафарету, в котором вырезано нужное вам изображение. Трафарет помещается на футболку, а затем сверху из баллончика на него распыляется краска. Когда трафарет убирается, на футболке остается сделанное краской изображение.

Транзистор делается примерно так же. Для начала изготавливается трафарет, в котором вырезается изображение нужных вам контуров. Затем этот трафарет помещается на кремниевую пластину. Вслед за этим на трафарет направляется ультрафиолетовый луч, так что изображение с трафарета переносится на пластину. Далее трафарет убирается и добавляется кислота. Кремниевая пластина заранее химически обрабатывается специальным образом, чтобы при добавлении кислоты она выжгла в пластине нужное вам изображение.

Преимущество здесь в том, что наносимые изображения могут быть очень маленькими, сравнимыми по размеру с длиной волны ультрафиолетового излучения, которая ненамного превышает размеры атома. Это означает, что обычная микросхема, используемая в компьютере, может содержать внутри, скажем, миллиард транзисторов. Сегодня производством транзисторов занимается крупный бизнес, способный влиять на экономику целых стран. Самые передовые заводы по производству транзисторов сто́ят по нескольку миллиардов долларов каждый.

В определенном смысле микросхему можно сравнить с дорожной сетью большого города. Постоянный поток машин подобен электронам, бегающим вдоль вытравленных контуров. Светофоры, регулирующие транспортные потоки, соответствуют транзисторам. Красный свет, останавливающий поток машин, соответствует 0, а зеленый, разрешающий проезд, соответствует 1.

Вытравливая на пластинке все больше и больше транзисторов, мы как будто сжимаем каждый городской квартал, чтобы разместить в нем больше машин и светофоров. Но существует предел плотности размещения дорог в заданном районе. Со временем городской квартал становится таким крохотным, что машины выплескиваются на тротуар. Это соответствует короткому замыканию в случае, если слои кремния истончаются.

По мере того, как ширина элементов кремниевого чипа приближается к размеру атома, в дело вступает принцип неопределенности Гейзенберга: положение электронов в пространстве становится неопределенным, в результате чего возникают их утечка и короткое замыкание контура. Мало того, теплота, выделяемая таким множеством транзисторов, сосредоточенных в одном месте, оказывается достаточной, чтобы расплавить микросхему.

Иными словами, все проходит, должна завершиться и эпоха кремния. Мы сейчас, возможно, наблюдаем зарождение новой, квантовой эпохи.

И путь к ней проложил один из знаменитейших физиков ХХ столетия.

Ричард Фейнман был единственным в своем роде. Больше таких физиков не было и не будет.

С одной стороны, Фейнман был харизматичным шоуменом, любившим развлекать аудиторию скандальными историями о своем прошлом и о своих безумных выходках. Когда он рассказывал живописные байки о своей жизни – а говорил он с сильным акцентом, – он больше всего походил на дальнобойщика.

Он гордился своим уменьем вскрывать замки и сейфы; работая в Лос-Аламосе, он успешно вскрыл однажды сейф, содержавший секрет атомной бомбы (став при этом, кстати говоря, причиной грандиозного переполоха). Он никогда не упускал возможности познакомиться с новыми необычными впечатлениями и однажды заперся в гипербарической камере, чтобы выяснить, сможет ли он покинуть свое тело и увидеть себя со стороны. А еще он обожал играть на парных барабанах – бонго – в любое время суток.

Слушая его, можно было практически забыть, что в 1965 г. он получил Нобелевскую премию по физике и был, вероятно, одним из величайших физиков своего поколения, заложившим основу для релятивистской теории взаимодействия электронов с фотонами. Эта теория, получившая название квантовой электродинамики (КЭД), точна до одной десятимиллиардной доли, так что из всех различных квантовых измерений, которые были проделаны, она самая успешная. Другие физики внимательнейшим образом прислушивались к каждому его слову, надеясь извлечь из них откровение, которое, возможно, принесет и им тоже известность и славу.

Прежде всего, Фейнман был визионером.

Он понимал, что по размеру компьютеры становятся все меньше и меньше. Поэтому он задал себе простой вопрос: насколько маленьким можно сделать компьютер?

Он понимал, что в будущем транзисторы непременно станут такими маленькими, что со временем смогут сравниться по размеру с атомом. Мало того, он предположил, что следующим рубежом для физиков станет создание машин размером с атом; таким образом он стал пионером растущей области, известной сегодня как нанотехнологии.

Какой предел квантовая механика накладывает на пинцеты, молоточки и гаечные ключи, размером сравнимые с атомами? Каково абсолютное ограничение для компьютера, который работает на транзисторах размером с атом?

Фейнман понимал, что в царстве атомов возможны новые фантастические изобретения. Нынешние законы физики, которыми мы пользуемся на макромасштабе, на атомном уровне теряют смысл, и нам приходится открывать свой разум для совершенно новых возможностей. Эти идеи он впервые высказал в речи, произнесенной в 1959 г. на заседании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. Речь была озаглавлена «Внизу много места» – она предвосхитила рождение новой науки.

В том выступлении Фейнман задал вопрос: «Почему мы не можем записать все 24 тома "Энциклопедии" на булавочной головке?»

Его основная идея была проста: создать крохотные машины, способные «расположить атомы нужным образом». Любой инструмент, которым мы пользуемся в своей мастерской, должен быть уменьшен до размера элементарных частиц. Мать-природа постоянно манипулирует атомами. Почему же мы этого не можем?

Он подытожил свою идею квантового компьютера так: «Природа работает не по классическим законам, черт побери, и если вы хотите изготовить модель природы, вам лучше сделать ее квантово-механической».

Это глубокое наблюдение. Классические цифровые компьютеры, какими бы мощными они ни были, никогда не смогут успешно моделировать квантовый процесс. (Вице-президент IBM Боб Сьютор любит приводить следующее сравнение: классическому компьютеру, чтобы воссоздать пошаговую модель какой-нибудь простой молекулы вроде кофеина, потребуется 10⁴⁸ бит информации. Это громадное число составляет 10 % от числа атомов, образующих планету Земля. Следовательно, классические компьютеры не в состоянии успешно моделировать даже простые молекулы.)

Фейнман предложил множество поразительных идей: например, сделать микроскопического робота, чтобы тот мог плавать в кровотоке человека по сосудам и разбираться с медицинскими проблемами. Фейнман назвал этот процесс «проглотить доктора». Такой робот действовал бы как лейкоцит – курсировал по телу в поисках бактерий и вирусов, с которыми мог бы расправиться. Кроме того, хирургические операции можно было бы проводить внутри тела, а не снаружи. Врачам бы не приходилось разрезать кожу, беспокоиться о боли и инфекциях, – вся операция проводилась бы изнутри.

Его видение будущего было пророческим; он даже утверждал, что когда-нибудь изобретут супер-микроскоп, позволяющий «видеть» атомы. (Такой прибор действительно появился позже, в 1981 г., через несколько десятилетий после предсказания Фейнмана, и получил название сканирующего туннельного микроскопа.)

Предвидение Фейнмана было настолько фантастическим, что следующие десятилетия его речь в значительной мере игнорировали. Очень жаль, ведь он намного опередил свое время. И все же сегодня многие его предсказания реализуются.

Он даже предложил приз в 1000 долларов любому, кто сможет сделать одну из двух вещей. Первым вызовом была задача миниатюризировать страницу книги так, чтобы разглядеть ее можно было только при помощи электронного микроскопа. Второе задание состояло в том, чтобы создать электродвигатель, который уместился бы в куб со стороной 0,04 см. (Позже два изобретателя заявили свои права на оба приза, хотя точные условия конкурса они не выполнили.)

Еще одно из предсказаний Фейнмана стало возможным с открытием наноматериалов, таких как графен, состоящий из полотна углерода толщиной всего в один атом. Графен открыли двое русских ученых, работавших в Англии, в Манчестере. Андрей Гейм и Константин Новоселов заметили, что при помощи скотча можно снять с графита очень тонкий слой. Повторив этот процесс неоднократно, они обнаружили, что в конце концов можно получить слой углерода толщиной в один атом. За этот простой, но замечательный прорыв они в 2010 г. получили Нобелевскую премию. Поскольку атомы углерода очень плотно упакованы в симметричной укладке, графен – самое прочное вещество, известное науке, прочнее алмаза. Пленка графена настолько прочна, что если бы можно было поставить слона на кончик карандаша, а другим концом карандаш поставить на лист графена, то графен бы не порвался.

Графен в малых количествах получить несложно, но добыть большое количество чистого графена чрезвычайно трудно. В принципе, чистый графен достаточно прочен, чтобы построить небоскреб или мост такой малой толщины, что он будет невидим. Длинное волокно графена может быть настолько прочным, что выдержит космический лифт, способный доставить вас в космос по нажатию кнопки, как лифт в небеса. (Космический лифт должен быть подвешен на канате из графена, который, подобно вращающемуся шарику на леске, никогда не падает вниз, поскольку вращается вокруг Земли благодаря вращению планеты.) Кроме того, графен проводит электричество. Фактически из крохотного количества графена можно изготовить одни из самых крохотных транзисторов в мире.

Фейнман также осознавал громадные преимущества, которые способен дать квантовый компьютер, обладающий огромной вычислительной мощностью. Ранее мы видели, что, если добавить квантовому компьютеру один дополнительный кубит, его мощность удваивается. Таким образом, квантовый компьютер, сделанный из 300 атомов, будет обладать мощностью в 2³⁰⁰ раз большей, чем квантовый компьютер с одним кубитом.

Еще одному достижению Фейнмана суждено было изменить ход развития физики. Ему удалось найти поразительный новый способ заново сформулировать всю теорию квантовой механики.

Все началось, когда он учился в старших классах школы. Он обожал вычислять разные вещи и разгадывать головоломки. Одним из его коронных номеров было быстрое решение хитроумной задачи несколькими способами. Если он заходил в тупик на одном направлении, он мог при помощи математических фокусов решить задачу другим способом, – а фокусов таких он знал множество. Он был знаменит своим высказыванием о том, что цель каждого физика – «доказать собственную неправоту как можно скорее». Иными словами, проглотите свою гордость и признайте, что то, чем вы занимаетесь, может оказаться тупиковым направлением, а также докажите это как можно скорее, чтобы двигаться дальше к следующей идее.

(Сам я, как физик-исследователь, на самом деле часто думаю об этом заявлении. Иногда физикам в какой-то момент приходится признать, что их любимая идея, возможно, ошибочна и нужно быстро пробовать новый подход.)

Поскольку юный Фейнман в естественных науках всегда был впереди своего класса, его учитель придумывал разные хитроумные способы поддержать его интерес, чтобы молодой человек не заскучал. Учитель давал ему необычные и в то же время серьезные задания из области физики.

Однажды учитель познакомил Фейнмана с так называемым принципом наименьшего действия, позволяющим заново и принципиально иначе интерпретировать всю классическую физику. Учитель отметил, что если шар катится вниз с холма, то для него существует бесконечное число возможных траекторий, но «выбирает» он из них только одну. Как он узнает, какую траекторию выбрать?

Ответ на этот вопрос нашел Ньютон 300 лет назад. Он сказал бы: рассчитайте силы, действующие на шар в какой-то определенный момент, а затем воспользуйтесь уравнениями, чтобы определить, куда он двинется в следующее мгновение. Затем повторите процесс. Сшив воедино все эти последовательные моменты времени, микросекунда за микросекундой, можно проследить всю траекторию шара. Даже сегодня, 300 лет спустя, физики именно так предсказывают движение звезд, планет, ракет, пушечных снарядов и бейсбольных мячей. Это фундаментальная основа ньютоновской физики. Так работает почти вся классическая физика. А математический аппарат сложения воедино всех этапов движения, задаваемого приращениями, называется дифференциальным и интегральным исчислением, и его тоже придумал Ньютон.

Но затем учитель предложил весьма необычный взгляд на все это. Он сказал: нарисуй все возможные траектории движения шара, какими бы странными они ни казались. Некоторые из этих траекторий, возможно, окажутся абсурдными, как, например, заглянуть по пути на Луну или Марс. Некоторые траектории, возможно, уйдут на край Вселенной. Затем для каждой траектории нужно рассчитать так называемое действие. (Действие здесь аналогично энергии системы. Оно равно разности между кинетической и потенциальной энергиями.) Тогда траекторией движения шара станет траектория с минимальным значением действия. Иными словами, шар каким-то образом «обнюхивает» все возможные пути, даже безумные, и «выбирает» траекторию с наименьшим действием.

Произведя все необходимые математические операции, вы получите в точности тот же ответ, что получил Ньютон. Фейнман был поражен. В этой простой демонстрации можно было собрать всю ньютоновскую физику без сложных дифференциальных уравнений – все, что нужно было сделать, это найти траекторию движения с наименьшим действием. Это привело Фейнмана в восторг, поскольку теперь у него было два эквивалентных способа решения любых задач классической механики.

Иными словами, в старой ньютоновской картине траектория движения шара определяется только силами, которые действуют на шар в этой конкретной точке пространства и времени. Отдаленные точки на шар никак не влияют. Но в новой картине внезапно оказывается, что шар «знает» обо всех возможных траекториях, по которым он может двигаться, и «решает» выбрать ту из них, которая связана с наименьшим действием. Откуда шар может «знать», как нужно анализировать эти миллиарды траекторий и выбирать среди них нужную?

(К примеру, почему шар падает на пол? Ньютон сказал бы, что существует сила тяготения, толкающая шар к земле, микросекунда за микросекундой. Есть и другое объяснение – сказать, что шар каким-то образом «обнюхивает» все возможные маршруты, затем «решает» выбрать траекторию с минимальным действием или энергией, а это и есть прямо вниз.)

Много лет спустя, занимаясь работой, которая принесла ему впоследствии Нобелевскую премию, Фейнман вернулся к этому школьному подходу. Принцип наименьшего действия работал для классической ньютоновской физики. Почему бы не применить этот странный результат для квантовой теории?