Если создание помощника с искусственным интеллектом – это путь длиной в миллион миль, то мы пока одолели лишь первые из них. Но эти первые шаги вдохновляют нас, когда мы представляем себе, каким может оказаться результат.
Мой бывший коллега Дэвид Хекерман – выдающийся ученый, который тридцать лет работал над проблемами искусственного интеллекта. Много лет назад он создал один из первых эффективных спам-фильтров. Он нащупал слабое звено у своих противников – спамеров, которые забивают входящую почту всяким мусором, и тем самым разрушил их планы. Сегодня команда, которую он создал в Microsoft, разрабатывает алгоритмы машинного обучения для определения и использования «слабых звеньев» ВИЧ, рака и простуды.
ВИЧ – вирус, вызывающий СПИД, – быстро мутирует и распространяется в организме человека. Однако мутации тоже имеют ограничения. Созданные нами продвинутые алгоритмы машинного обучения определили, какие части белков, входящих в структуру ВИЧ, жизненно необходимы для их функционирования, чтобы можно было нацелить действие вакцины именно на эти участки. На основе данных клинических исследований команда может смоделировать мутации и выявить целевые участки. Точно так же берутся геномные последовательности раковых опухолей и прогнозируются наилучшие цели для иммунного ответа.
Если от таких возможностей искусственного интеллекта захватывает дух, то потенциал квантовых вычислений просто шокирует.
Санта-Барбара, штат Калифорния, ближе к Голливуду, чем Кремниевая долина. Неформальный кампус колледжа на побережье, расположенный к северу от «фабрики грез», – удивительный центр развития квантовых вычислений, будущего нашей индустрии. Близость к Голливуду – фактор скорее положительный, потому что киносценарий – это, возможно, лучший проводник по миру квантовой физики, чем учебник. Об этом отлично сказано в телесериале «Сумеречная зона»
[61]: «Вы путешествуете в другом измерении – измерении не только звука и зрения, но и разума. Это путешествие в волшебную страну, границы которой очерчены только воображением. Следующая остановка – Сумеречная зона».
Дать определение квантовым вычислениям непросто. Квантовые вычисления, зародившиеся в 1980-е годы, используют некоторые квантовые физические свойства атомов или ядер, которые начинают взаимодействовать друг с другом как квантовые биты, или кубиты. Они играют роль процессора и памяти компьютера. Взаимодействуя друг с другом и будучи одновременно изолированными от окружающей среды, кубиты способны производить определенные вычисления во много раз быстрее традиционных, классических компьютеров.
Фотосинтез, миграция птиц и даже человеческое сознание изучаются в этой научной области как квантовые процессы. Сегодняшний мир классических вычислений устроен таким образом: наш мозг думает, мысли при помощи печатного или речевого ввода заносятся в компьютер, который, в свою очередь, выводит обратную связь на экран. В квантовом мире, как предполагают некоторые исследователи, барьеры между нашим мозгом и вычислительным устройством исчезнут. До цели еще очень далеко, но кто знает – может быть, в один прекрасный день сознание человека сможет слиться с сознанием машины?
Лауреат Нобелевской премии из Дании Нильс Бор однажды сказал: «Если квантовая механика не потрясла тебя до глубины души, ты просто ее не понял». Позднее другой нобелевский лауреат по физике, Ричард Фейнман, выдвинул идею квантовых вычислений, открыв дорогу к применению квантовой механики в компьютерных вычислениях. Среди тех, кто стремится освоить эту идею, – Microsoft, Intel, Google, IBM, стартапы вроде D-Wave и даже правительства с их внушительными оборонными бюджетами. Все мы надеемся, что квантовые вычисления в итоге преобразят саму вычислительную физику как таковую.
Конечно, если бы построить квантовый компьютер было так легко, он уже был бы построен. В то время как классические вычисления ограничены бинарным кодом и законами физики, квантовые вычисления уводят все виды операций – в математике, естественных и технических науках – из линейного мира битов в многомерную вселенную кубитов. Вместо того чтобы принимать значение 1 или 0, как классический бит, кубиты могут быть любой комбинацией (суперпозицией). Это позволяет осуществлять множество вычислений одновременно. Таким образом, мы вступаем в мир, в котором можем одновременно получать результаты множества параллельных вычислительных операций. По словам одного из наших ученых, при условии корректно составленного квантового алгоритма результатом будет «великое побоище, в которой падет бесславной смертью большинство неправильных ответов».
Квантовые вычисления осуществляются не только быстрее традиционных. При их использовании рабочая нагрузка подчиняется другому масштабному закону – закон Мура уходит в разряд воспоминаний. Закон Мура, сформулированный основателем Intel Гордоном Муром, гласит, что количество транзисторов в интегральных схемах устройств увеличивается вдвое примерно раз в два года. Некоторые ранние суперкомпьютеры работали примерно на 13 тысячах транзисторов; Xbox One, который стоит у вас в гостиной, содержит пять миллиардов. Но недавно компания Intel сообщила, что темпы роста замедлились. Возникла высокая потребность в альтернативных способах ускорения обработки данных, которое необходимо для развития искусственного интеллекта. Сиюминутным достижением можно назвать инновационные ускорители, такие как фермы графических процессоров, чипы тензорных процессоров и программируемые логические матрицы в облаке. Но квантовый компьютер пока остается несбыточной мечтой.
Сегодня мы испытываем потребность в решении задач, на которые у классических компьютеров ушли бы века, а квантовым понадобилось бы несколько минут или часов. К примеру, скорость и точность квантовых вычислений, позволяющих преодолеть высочайший на сегодняшний день уровень шифрования, поражают ум. Классическому компьютеру потребовался бы миллиард лет, чтобы пробить криптографическую защиту RSA-2048, но квантовый сделал бы это примерно за сто секунд, то есть меньше чем за две минуты. К счастью, квантовые вычисления еще и в корне меняют классическое шифрование, повышая уровень безопасности операций.
Но, чтобы достигнуть этой цели, нужно совершить три научных и инженерных прорыва. Главный прорыв, над которым мы работаем, – это топологический кубит. Необходимый прорыв в области сверхпроводимости – процесс генерирования тысяч топологических кубитов, одновременно надежных и стабильных. Прорыв в области компьютерных наук – это создание новых вычислительных методов для программирования квантового компьютера.
В настоящий момент сотрудники и партнеры Microsoft работают над проблемами переноса, экспериментальной и теоретической физики, математики и информационных технологий, которые однажды сделают квантовые вычисления реальностью. Центром этой деятельности является «Станция Q», расположенная на одной территории с кафедрой теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
