«Станция Q» – это детище Майкла Фридмана, который в 1986 году, в возрасте тридцати шести лет, получил высшую награду по математике – Филдсовскую премию – на Международном математическом конгрессе. После этого Майкл пришел на работу в Microsoft Research – исследовательское подразделение корпорации. В Санта-Барбаре он собрал ведущие мировые таланты в области квантовой технологии – физиков-теоретиков, которые, пользуясь для своих расчетов только карандашом и бумагой, «подкидывают дрова» в топку физиков-экспериментаторов. Те, в свою очередь, проводят эксперименты, играя с этими теориями, и в результате дают инженерам-электрикам и разработчикам приложений возможность открывать квантовым вычислениям дорогу на широкий рынок.
Итак, время – после полудня, место – «Станция Q», инструменты – тако аль-пастор
[62]. Двое физиков-теоретиков расспрашивают физика-экспериментатора о его последних находках. Они спорят о разработках в сложной области на стыке математики и физики, известной как майорановские фермионы, или частицы. Это весьма многообещающее направление в сфере сверхпроводников, необходимых для создания устойчивого квантового компьютера. Блики солнечного света играют на поверхности Тихого океана в районе Кампус-Пойнта, освещая бесчисленные уравнения, написанные мелом на досках по периметру комнаты для совещаний.
Перед нами – род напряженной групповой работы в режиме реального времени, в ходе которой рождаются необходимые нам научные прорывы. Крейг Манди, визионер и бывший руководитель технологического отдела Microsoft, много лет назад дал старт нашим квантовым разработкам, однако научные исследования протекают очень медленно. Физик-теоретик обнародует свою идею. Физик-экспериментатор проверяет эту теорию и публикует результаты. Если эксперимент заканчивается неудачей или дает результаты ниже оптимальных, теоретик начинает критиковать экспериментальную методику и вносит изменения в изначальную теорию. И все начинается заново.
Насущная потребность в квантовых вычислениях ускорила темпы научных открытий, и единственный способ первыми добраться до цели – это сократить временной зазор между теорией, экспериментом и созданием прототипа. Изобретение квантового компьютера превратилось в процесс сродни гонке вооружений. Нам нужно было действовать быстрее и эффективнее, а также больше ориентироваться на результат, поэтому мы поставили себе цель в отведенные сроки создать квантовый компьютер, который бы умел делать нечто полезное, на что не способны классические компьютеры. Но для этого требуются тысячи кубитов. Достижение этой цели требовало более напряженной совместной работы. Мы собрали у себя величайшие мировые умы и попросили их поработать вместе, на равных, подходя к проблемам с открытостью и смирением. Мы договорились, что теоретики и экспериментаторы сядут за один стол – физически или при помощи скайпа, – чтобы генерировать идеи и обсуждать эксперименты. Этот метод заметно ускорил процесс.
Мы уже получили более тридцати патентов, однако до финиша еще далеко. Борьба за облачные технологии, искусственный интеллект и смешанную реальность сопровождается громкими заявлениями и широким освещением в прессе. А вот борьба за первенство в сфере квантовых вычислений проходит в основном незамеченной, отчасти потому, что все это слишком сложно, да к тому же держится в тайне.
Достойной целью в области квантовых технологий будет наделение искусственного интеллекта способностью по-настоящему понимать человеческую речь, а потом с точностью резюмировать услышанное. Еще более перспективная задача квантовых вычислений – спасение человеческих жизней за счет невероятных открытий в области медицины. Например, проблема с вычислениями при разработке вакцины от СПИДа заключается в том, что существующих ресурсов не хватает, поскольку оболочка белка ВИЧ обладает высокой вариабельностью и постоянно меняется. Как следствие, вакцина против ВИЧ, по некоторым оценкам, появится лишь через несколько десятилетий. А с квантовым компьютером мы смогли бы подойти к решению проблемы по-новому.
То же самое можно сказать и о множестве других областей, в которых технология пока буксует – это и высокотемпературные сверхпроводники, и производство энергоэффективных удобрений, и теория струн. Квантовый компьютер позволит по-новому взглянуть на самые неразрешимые проблемы нашего времени.
Специалист по вычислительной технике Криста Свор – одна из самых активных участниц нашей команды, занятой решением проблем, связанных с квантовым компьютером. Криста получила докторскую степень в Колумбийском университете, занимаясь отказоустойчивыми и масштабируемыми квантовыми вычислениями. Она провела год в Массачусетском технологическом институте, работая над экспериментальным проектированием ПО, необходимого для управления квантовыми компьютерами. Ее команда в настоящее время разрабатывает экзотическую программную архитектуру, которая поможет нашим экспертам в области математики, физики и сверхпроводимости добиться успеха в создании квантового компьютера. Чтобы определиться с тем, какие задачи должно решать это ПО в первую очередь, Криста позвала квантовых химиков со всего мира. Их попросили выступить с докладами и принять участие в мозговом штурме.
Одна проблема сразу же бросилась в глаза. Миллионы людей в мире голодают по причине нерационального производства продуктов питания или неправильной системы поставок. Одна из ключевых проблем при производстве продуктов питания – необходимость в удобрениях, а те, как правило, стоят дорого и истощают природные ресурсы. Производство удобрений требует преобразования атмосферного азота в аммиак, который запускает процесс разложения бактерий и грибов. Этот химический процесс, известный как процесс Габера – Боша, не совершенствовался с момента открытия его Фрицем Габером и Карлом Бошем в 1910 году. Эта проблема так велика и сложна, что в ней не наблюдалось никаких прорывов. Работая сообща, квантовый и классический компьютеры смогут осуществлять масштабные эксперименты по поиску нового искусственного катализатора, который бы имитировал процесс бактериального разложения, сокращал количество энергии и метанового газа, необходимого для производства удобрений, и при этом снижал бы угрозу экологии.
Подход Microsoft к квантовым вычислениям полностью отличается от методов десятка наших конкурентов в этой области. Враг квантовых вычислений – это «шум», то есть электронные помехи в виде космических излучений, ударов молнии и даже мобильника в кармане вашего соседа. Эти труднопреодолимые преграды стали одной из причин, по которой большинство квантовых технологий предназначены для сверхнизких температур. Наша команда «Станция Q», взяв за основу труды Майкла Фридмана, разработала при участии сотрудников со всего мира метод топологических квантовых вычислений. Эти вычисления сокращают затраты квантовых ресурсов на два-три порядка по сравнению с другими подходами. Этот вид топологического кубита сам по себе менее подвержен погрешностям, чем другие варианты, так как его восприимчивость к помехам ниже. Хотя данный метод требует открытий в новых областях фундаментальной физики, потенциальные выгоды от его применения будут просто невероятными.
