К северу от Нью-Йорка в сельской местности в маленькой лаборатории свисает с потолка путаница из электроники и разных трубок. Это на самом деле компьютер, хотя он и на вид довольно беспорядочен. И это не просто обычный компьютер. Может так случиться, что ему предстоит стать одним из важнейших компьютеров в истории. Квантовые компьютеры обещают производить вычисления намного дальше за пределами досягаемости простого суперкомпьютера. Они способны произвести революцию в области создания новых материалов, имитируя поведение материи вплоть до атомного уровня. Они способны вывести на новый уровень компьютерную безопасность  и криптографию, взламывая коды неприступные доныне. Даже можно надеяться, что они смогут вывести на новый уровень искусственный интеллект, помогут ему намного эффективней перерабатывать и просеивать данные.
И только в настоящий момент, спустя десятки лет постепенного прогресса, ученые, в итоге, немного приблизились к созданию квантовых компьютеров, мощных достаточно для того, чтобы делать такие вещи, которые не могут делать обычные компьютеры. Этот ориентир называют «квантовым превосходством». Google возглавляет движение к данному ориентиру, за Google следуют Microsoft и Intel. Среди них — хорошо финансируемые стартапы: IonQ, Rigetti Computing, Quantum Circuits и прочие.
И все же никто в этой области не может сравниться с IBM. Компания еще пятьдесят лет назад смогла добиться успехов в области материаловедения и заложила основы для компьютерной революции. Поэтому в прошлом октябре MIT Technology Review отправились в Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM для того, чтобы ответить на вопрос: в чем будет хорош квантовый компьютер? Можно ли построить надежный и практический квантовый компьютер?

Зачем нам квантовый компьютер нужен?

Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM, расположенный в Йорктаун-Хайтс, внешне несколько напоминает летающую тарелку, как и было задумано в 1961 году. Здание было спроектировано архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построено в период расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM тогда была самой крупной в мире компьютерной компанией, и за 10 лет строительства исследовательского центра компания превратилась в  пятую крупнейшую компанию в мире, сразу после General Electric и Ford.
Хотя коридоры здания глядят на деревню, дизайн такой, что во всех офисах нет окон. В одном из подобных помещений сидит Чарльз Беннет. Сейчас ему семьдесят лет, у него седые бакенбарды, черные носки и сандалии, у него есть даже пенал с ручками. В окружении химических моделей и старых компьютерных мониторов  Беннет вспоминал о том, как рождались  квантовые вычисления так, словно это было вчера.
Когда Беннетт в 1972 году присоединился к IBM, квантовая физика уже полвека существовала, но все вычисления полагались все еще на классическую физику и математическую теорию информацию, которую в 1950-х годах Клод Шеннон разработал в MIT. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин был им популяризован, но не изобретен), которые требуются для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, стали основой классических вычислений.  
Беннетт через один год после прибытия в Йорктаун-Хайтс помог заложить основу для теории квантовой информации, бросившей вызов предыдущей теории. Она пользуется причудливым поведением объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица способна существовать одновременно в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций). Две частицы тоже способны «запутываться», так что изменение состояния одной сразу же отзывается на второй.
Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, занимающие чересчур много времени или вообще невозможные, можно было бы эффективно проводить с помощью квантовых явлений. Квантовый компьютер информацию хранит в квантовых битах, или кубитах. Кубиты способны существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в большом числе состояний. Не очень правильно сравнивать классические и квантовые компьютеры, но, фигурально выражаясь, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов способен одновременно производить больше вычислений, чем атомов в известной вселенной.
Летом 1981 года IBM и MIT провели знаковое мероприятие, которое называлось «Первая конференция по физике вычислений». Оно прошло в отеле Endicott House, особняке во французском стиле неподалеку от кампуса MIT.
На фото, которое во время конференции сделал Беннетт, на лужайке можно увидеть некоторых из самых влиятельных фигур в истории вычислительной и квантовой физики, в том числе Конрада Зузе, разработавшего первый программируемый компьютер, и Ричарда Фейнмана, который внес в квантовую теорию важный вклад. Фейнман на конференции произнес ключевую речь, в которой говорил об идее использования для вычислений квантовых эффектов.
«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».
Квантовый компьютер IBM — один из самых перспективных из всех существующих — располагается прямо по коридору от офиса Беннетта. Данная машина предназначена для создания и манипуляции важным элементом квантового компьютера: кубитами, хранящими информацию.

Пропасть между мечтой и реальностью

Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. К примеру, иногда ток течет одновременно по часовой стрелке и против нее. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют 2 разных электромагнитных энергетических состояния.
У сверхпроводимого подхода есть масса преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать с помощью хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно пользоваться обычным компьютером. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные  ионы или фотоны.
В квантовой лаборатории IBM инженеры трудятся над версией компьютера с  пятьюдесятью кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при пятидесяти кубитах это будет почти невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер будет решать проблемы, которые классическому компьютеру недоступны: иначе говоря, квантовое превосходство.
Но ученые из IBM вам скажут, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все пятьдесят кубитов идеально работали, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.
«Если бы у вас было пятьдесят или сто кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».
Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.
Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM. «Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы».
Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.
Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.
В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.
Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.

Что для физика мечта, для инженера кошмар

«Шумиху подталкивает осознание того, что квантовые вычисления реальны», говорит Айзек Чуань, профессор MIT. «Это уже не мечта физика — это кошмар инженера».
Чуань руководил разработкой самых первых квантовых компьютеров, работая в IBM в Альмадене, Калифорния, в конце 1990-х – начале 2000-х годов. Хотя он больше на них не работает, он также полагает, что мы находимся в начале чего-то очень большого и что квантовые вычисления в конечном итоге сыграют роль даже в развитии искусственного интеллекта.
Он также подозревает, что революция не начнется, пока новое поколение студентов и хакеров не начнет играть с практическими машинами. Квантовые компьютеры требуют не только иных языков программирования, но и принципиально иного способа мышления о программировании. Как говорит Гамбетта, «мы на самом деле не знаем, что эквивалентно «Привет, мир» на квантовом компьютере».
Но мы начинаем искать. В 2016 году IBM соединила небольшой квантовый компьютер с облаком. Используя инструмент для программирования QISKit, вы можете запускать простейшие программы; тысячи людей, от академиков до школьников, уже создавали программы на QISKit, которые обрабатывают простые квантовые алгоритмы. Теперь Google и другие компании также пытаются вывести квантовые компьютеры в онлайн. Они на многое не способны, но дают людям возможность прочувствовать, что такое квантовые вычисления.