суперкомпьютер

Художник делает быстрый набросок углём — и лицо на портрете уже узнаваемо. Астрофизики решают схожую задачу: спектр звезды — это её индивидуальный портрет, раскрывающий температуру, состав, силу тяжести. До недавнего времени для получения такого портрета требовалась кропотливая «живопись маслом» — код радиативного переноса в условиях отклонения от локального теплового равновесия (non-LTE).

Обычный компьютер гоняет электричество по медным дорожкам, и каждое действие — это очередь: сначала одно, потом другое. Свет умеет иначе. В одном луче можно смешать десятки сигналов, и они не мешают друг другу — как разные голоса в хоре, которые звучат одновременно, но каждый слышен отдельно. Новый чип FieldCore использует сразу пять таких «голосов». Первый — цвет луча: разные длины волн несут разные данные.

Судья заходит в зал, но не смотрит на улики — он сразу выносит приговор. Так работает новый квантовый датчик: он не измеряет сигнал, а сразу решает, к какому классу тот относится. В обычном квантовом зондировании всё как в детективе: сначала собирают улики (измеряют сигнал), потом анализируют.

Классический компьютер сортирует данные подобно человеку, методично перебирающему песчинки разного цвета — одну за другой. Квантовый процессор действует иначе, заимствуя принцип у природы: подобно тому как капля воды разлагает солнечный свет на радугу, демонстрируя весь спектр оттенков одновременно, новый алгоритм мгновенно схватывает суть гигантских массивов информации.

Прогноз погоды — это как попытка предсказать, куда покатится камень по склону, зная форму каждого бугорка и силу ветра. Ошибёшься в начале — и через неделю ошибка вырастет в целую бурю. Раньше для точных прогнозов нужны были огромные компьютеры и многодневные расчёты. Теперь появилась модель Sonny, которая делает то же самое на одной видеокарте. Sonny работает в два шага.

Свет бежит по лабиринту из зеркал и светоделителей, но в конце пути не просто вспыхивает на детекторе — он меняет сам себя. В новом фотонном компьютере к привычным линейным схемам добавили нелинейные модули, и теперь свет может выполнять любые квантовые операции, а не только часть из них.

Внутри каждой клетки постоянно идут химические реакции — как на крошечной кухне, где белки-повара готовят нужные вещества. Но увидеть, как именно повар готовит блюдо, мешает толпа других молекул вокруг.

Обычный компьютер видит мир плоско: числа для него — просто точки на линии. Но цветная картинка или трехмерная сцена требуют большего — четырех чисел, которые описывают и положение, и поворот. Такие четверки называют кватернионами, и до сих пор электроника справлялась с ними неуклюже, раскладывая на части и собирая обратно. Новый чип меняет подход.

Оркестр играет внутри огромного холодильника. Музыканты — это кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера. Чтобы они звучали слаженно, нужна тишина: тепловые шумы заглушают мелодию. Поэтому сердце квантового процессора охлаждают почти до абсолютного нуля — минус 273 градуса Цельсия. Но музыку нужно вывести наружу, к слушателям.

Огромный холодильник размером с платяной шкаф гудит, поддерживая внутри температуру ниже, чем в открытом космосе. В его сердце лежит кремниевый чип с крошечными сверхпроводящими петлями — кубитами. Но чтобы чип заработал, к нему тянутся десятки толстых медных кабелей от комнатной температуры.

В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.

Атомы, подобно стайке светлячков, синхронизирующих свои вспышки, способны излучать свет в унисон. Это явление, называемое сверхизлучением, приводит к тому, что интенсивность света растёт нелинейно: сто атомов, излучающих когерентно, дают в десять тысяч раз более яркое свечение, чем один.

Три тысячи метров над уровнем моря, отвесная стена. Классический скалолаз карабкается по одному маршруту, шаг за шагом, и часто застревает в локальном минимуме — небольшой нише, из которой нет хода вверх. Квантовый скалолаз действует иначе: он способен перепрыгнуть через ущелье и приземлиться в соседнем бассейне энергии, где маршрут лучше.

В криостате, охлаждённом до десятков милликельвинов, живут сверхпроводниковые кубиты. Их немного — десятки, от силы сотни. Перекрёстные помехи и тепловой шум не дают упаковать больше. А для взлома RSA-2048 нужно от десяти тысяч до десяти миллионов физических кубитов. Разрыв в пять порядков — как между велосипедом и ракетой.

В 2019 году группа теоретиков задалась простым вопросом: что произойдёт, если в обычный квантовый компьютер встроить один-единственный необратимый элемент — вентиль, который чуть-чуть «съедает» вероятность? Ответ оказался убийственным. Любой такой вентиль, сколь угодно слабый, мгновенно превращает машину в устройство, способное решать задачи класса PostBQP = PP.

Квантовый процессор на сверхпроводниках — как микроскопический мегаполис, запертый в криогенном холодильнике: улицы из сверхпроводящих линий, кварталы кубитов. Каждый житель требует тишины и холода, но расширять город внутри одного криостата всё равно что надстраивать небоскрёбы в тесном дворе — провода греют среду, шумы нарастают, когерентность грозит обрушиться.

Оркестр, где каждый музыкант играет на инструменте, который ломается от малейшего тепла. Дирижёр — это квантовый процессор, а музыканты — кубиты, хрупкие носители квантовой информации. Чтобы они звучали слаженно, нужен целый штат настройщиков, которые сидят в соседней комнате и передают команды через звукоизолирующую стену.

Один квантовый процессор — как один музыкант. Сыграть простую мелодию он может, но для симфонии нужен оркестр. Чтобы решать задачи, требующие огромных вычислений, процессоры нужно соединять в сеть.

В 2023 году группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории запустила на суперкомпьютере Theta симуляцию квантовой схемы из 61 кубита. Для хранения её вектора состояния потребовалось бы 32 эксабайта памяти — больше, чем суммарный объём всех жёстких дисков на планете. Но благодаря сжатию данных уложились в 768 терабайт.

Суперкомпьютер, моделирующий поведение лазерной плазмы, похож на кухню, где сотни поваров готовят одно блюдо. Если у одной плиты столпились десять человек, а у другой никого, работа встанет. Так и в расчётах: частицы плазмы скапливаются в одних участках пространства, оставляя другие почти пустыми. Процессоры, которым достались «горячие» зоны, трудятся на износ, а остальные ждут.

Блокчейн сегодня похож на музыкальную шкатулку: мелодия (правила игры) впаяна в механизм, и чтобы сменить её, приходится разбирать всю конструкцию. Каждый раз, когда разработчики хотят изменить логику приложения, они вынуждены проводить форк — раскалывать сеть на две ветки, которые потом конкурируют между собой.

Квантовый компьютер напоминает оркестр, где каждый музыкант играет на невидимом инструменте. Вместо скрипок и труб — кубиты, хрупкие частицы, которые легко сбить с ритма малейшим теплом или шумом. Чтобы оркестр из миллионов таких музыкантов зазвучал слаженно, дирижёр должен стоять не в тёплом зале, а прямо на морозе, рядом с ними.