Quantum Computers Aren’t What You Think — They’re Cooler | Hartmut Neven | TED

Переводчик: Alena Chernykh Редактор: Olga Mansurova

I'm Hartmut, I lead Google Quantum AI.

Меня зовут Хартмут, я возглавляю Google Quantum AI.

I have been working on quantum computing since 2012.

Я работаю с квантовыми технологиями с 2012 года.

And let me tell you why this is so intriguing.

И позвольте мне рассказать, почему это так увлекательно.

Today's computers, like your laptop or a server at a Google data center,

Современные компьютеры, типа ноутбука или сервера в центре обработки данных Google,

operate on the binary logic of zeros and ones.

работают, основываясь на бинарной логике нулей и единиц.

A quantum computer like this one replaces the binary logic

Квантовый компьютер, подобный этому, руководствуется не бинарной логикой,

with the laws of quantum physics that gives it more powerful operations,

а законами квантовой физики,

которые обеспечивают проведение более мощных операций,

allowing it to perform certain computations with way fewer steps.

выполняя определённые вычисления за гораздо меньшее количество шагов.

So where does this superpower come from?

Так откуда же берётся эта сверхсила?

Quantum computing is the first technology

Квантовые вычисления — первая технология,

that takes the idea serious that we live in a multiverse.

которая серьёзно относится к идее о том, что мы живём в мультивселенной.

It can be seen as farming out computations to parallel universes.

Это можно рассматривать как передачу вычислений в параллельные вселенные.

Let me explain.

Позвольте мне объяснить.

In quantum physics,

В квантовой физике

the key mathematical object

ключевой математический объект

to describe many worlds is called superposition.

для описания множества миров называется суперпозицией.

To understand what it is, let's look at this simple system.

Чтобы понять, что это такое, давайте рассмотрим эту простую систему.

You just need three bits to describe it.

Чтобы описать её, достаточно трёх битов.

Каждая монета представляет собой систему с двумя состояниями.

Each coin is a two-state system.

Heads or tails,

Орёл или решка,

zero or one.

нуль или единица.

We look at a start state.

Мы рассматриваем начальное состояние.

If I were to know which forces act on the system,

Если бы я знал, какие силы действуют на систему,

then I can predict its trajectory and future states.

я мог бы предсказать её траекторию и будущие состояния.

This is how we reason in classical physics and also in everyday life.

Так мы рассуждаем в классической физике, а также в повседневной жизни.

But if you were to treat this as a quantum system,

Но если рассматривать эту систему как квантовую,

then it can branch into many configurations simultaneously.

то она может разветвляться на множество конфигураций одновременно.

And we have to keep track of all those trajectories,

И мы должны отслеживать все эти траектории,

interfere them to make an accurate prediction

вмешиваться в них, чтобы в точности предсказать,

of what states we are going to see in the future.

какие состояния мы увидим в будущем.

So the equations of quantum mechanics

Так уравнения квантовой механики

tell us that at any time, any object,

говорят нам, что любой объект,

будь то я или мир в целом, в любой момент времени

myself or the world at large,

exists in a superposition of many configurations.

существует в суперпозиции множества конфигураций.

Intriguingly, look around in this room.

Интересно, окиньте взглядом зал.

We are forming a configuration too.

Мы тоже формируем конфигурацию.

And the equations of quantum physics would suggest

И уравнения квантовой физики предположили бы,

that we sit in different arrangements in different worlds.

что мы находимся в разных положениях в разных мирах.

This superpower can be applied to computation.

Эту суперспособность можно применить к вычислениям.

Picture a search task.

Рассмотрим поисковую задачу.

By envisioning a very tall closet with a million drawers,

Представляя себе очень высокий шкаф с миллионом ящиков,

I place an item in one of the drawers.

я помещаю предмет в один из ящиков.

How many drawers do you have to open to find the item?

Сколько ящиков нужно открыть, чтобы найти предмет?

In average it will be half a million,

В среднем их будет полмиллиона,

but if you had access to a quantum algorithm,

но если бы у вас был доступ к квантовому алгоритму,

it would only be 1,000 steps to find the item.

поиск предмета занял бы всего 1 000 шагов.

How in the world can this be?

Как такое вообще возможно?

Indeed, it cannot be in a single world.

Конечно, такое невозможно в одном мире.

So here you see a good example

Здесь вы видите хороший пример того,

of how quantum computing can attain an advantage

как квантовые вычисления могут получить преимущество,

by performing computations in parallel worlds.

выполняя вычисления в параллельных мирах.

Let me show you how to use a quantum computer in practice.

Позвольте мне показать, как применяется квантовый компьютер на практике.

So here you see a program in Cirq,

Здесь вы видите программу на Cirq,

or Python-based programming language to express quantum algorithms.

языке программирования на основе Python для отображения квантовых алгоритмов.

It looks like sheet music.

Похоже на ноты.

Each line represents a qubit,

Каждая строка представляет собой кубит,

and each box represents an operation.

а каждое поле — операцию.

When I hit return,

Когда я нажимаю кнопку «Вернуть»,

then it gets transmitted to our data center

это передаётся в наш центр обработки данных

in Santa Barbara.

в Санта-Барбаре.

Here you actually see a live feed of one of our machines.

Здесь вы фактически видите прямую трансляцию одной из наших машин.

Actually, our most powerful quantum computers now have over 100 qubits.

На самом деле наши самые мощные квантовые компьютеры сейчас имеют более 100 кубитов.

There, the operations get translated into waveforms,

Там эти операции преобразуются в осциллограммы —

electrical pulses that control the qubits.

электрические импульсы, управляющие кубитами.

You see how the waveforms change as I change the circuit.

Вы видите, как изменяются формы сигналов, когда я меняю схему.

So this is a simple two-qubit circuit performing quantum search.

Это простая двух-кубитная схема, выполняющая квантовый поиск.

For the programmers among you,

Обращаю внимание программистов на то,

please note how I find one item in a database of four

как я нахожу один объект в базе данных, содержащей четыре,

by only doing a single call to the database.

всего один раз обращаясь к базе данных.

This is something you could not do on an ordinary computer.

Это то, что невозможно сделать на обычном компьютере.

So what can you do with quantum computers today?

Так что же можно сделать с квантовыми компьютерами сегодня?

We have prepared interesting quantum states

Мы подготовили интересные квантовые состояния

and studied their properties.

и изучили их свойства.

This has led to dozens of publications

Это привело к десяткам публикаций

in high-impact journals like Nature or Science.

в таких авторитетных журналах, как Nature или Science.

Actually, I like to think of it as creating little pieces of magic.

Мне нравится представлять это как создание маленьких частиц магии.

For example, one state we prepared

Например, одно из подготовленных состояний

can be thought of as spawning a tiny traversable wormhole.

можно представить как появление крохотной червоточины, через которую можно пройти.

We can use it to learn about the physics of wormholes.

С его помощью мы можем изучить физику червоточин.

We can throw a qubit in

Мы можем добавить кубит

and see how it reappears on the other side.

и посмотреть, как он снова появится на другой стороне.

We made time crystals.

Мы создали кристаллы времени.

That's a cool word, isn't it?

Классное название, не так ли?

Like, who doesn't want to have a time crystal as an earring?

Например, кто не хочет иметь кристалл времени в качестве серьги?

Time crystals have amazing physical properties.

Кристаллы времени обладают удивительными физическими свойствами.

They change periodically in time without ever exchanging energy

Они периодически меняются во времени, не обмениваясь энергией

with the environment.

с окружающей средой.

That's the closest to a perpetual mobile

Это самое близкое к вечному двигателю,

that the laws of physics allow you to get.

который позволяют получить законы физики.

Or a final example, non-abelian anyons.

Или последний пример: не-Абелевы анионы.

This is a mouthful,

Это потрясающе,

but these are systems that change the overall properties

но эти системы меняют общие свойства

when exchanging two identical parts,

при замене двух одинаковых частей,

something humans have never seen before.

чего люди прежде никогда не видели.

Because envision a little house made of Lego bricks

Потому что представьте себе маленький домик из кубиков Lego

and envision swapping two bricks that look identical.

и поменяйте местами два одинаковых кирпича.

In everyday life, you would not notice a difference,

В повседневной жизни вы не заметите разницы,

but quantum physicists had predicted that systems can exist,

но квантовые физики предсказывали, что могут существовать системы,

that exchange or change their properties

которые обмениваются или меняют свои свойства

when you exchange two identical parts.

при обмене двумя одинаковыми частями.

To date, nobody has performed

На сегодняшний день никто не применял это

a practical application that can only be done on a quantum computer.

на практике, что можно лишь сделать на квантовом компьютере.

Despite what you may have read in the press.

Несмотря на то, что вы могли прочитать в прессе.

But today, I'm excited to tell you that we are completing the design

Но сегодня я рад сообщить вам, что мы завершаем разработку алгоритма,

of an algorithm that may lead to first commercial applications.

который может привести к появлению первых коммерческих приложений.

This quantum algorithm performs signal processing

Этот квантовый алгоритм обрабатывает сигналы,

to enable new ways to detect and analyze molecules

открывая новые способы обнаружения и анализа молекул

using nuclear electronic spin spectroscopy.

с помощью ядерной электронной спиновой спектроскопии.

In time, this may lead to exciting consumer applications.

Со временем это может привести к появлению интересных приложений.

Envision a device akin to an electronic nose

Представьте себе устройство, похожее на электронный нос

in your phone or smart watch.

в телефоне или смарт-часах.

Wouldn't it be awesome if your phone could warn you

Разве не было бы здорово, если бы ваш телефон мог предупредить вас

that you step into a room with dangerous viruses?

о том, что вы попали в комнату с опасными вирусами?

Or if your smart watch could detect free radicals in your bloodstream

Или ваши умные часы могли бы обнаружить свободные радикалы в кровотоке

and tell you it's time to drink your acai juice,

и сообщить вам, что пора пить сок асаи,

or warn you of allergens in food

или предупредить вас об аллергенах в пище,

or many other truly helpful use cases.

или о многих других действительно полезных вариантах использования.

To unlock more applications,

Чтобы открыть больше приложений,

you will need to build a large error-corrected quantum computer.

вам потребуется создать большой квантовый компьютер с исправлением ошибок.

Here you see our road map.

Здесь вы видите нашу дорожную карту:

How to build a computer with a million physical qubits.

Как создать компьютер с миллионом физических кубитов.

It consists of six milestones.

Она состоит из шести этапов,

and we achieved already the first two.

и мы уже достигли первых двух.

Prior to 2019,

До 2019 года

nobody had shown a beyond classical computation on a quantum computer.

никто не показал на квантовом компьютере вычислений за рамками классических.

We were the first to demonstrate it.

Мы первыми продемонстрировали это.

Our chip could perform a computation

Наш чип смог выполнить вычисления, на которые самому быстрому

that the then-fastest supercomputer would have needed 10,000 years to do.

на тот момент суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет.

But recently, we repeated this experiment.

Но недавно мы повторили этот эксперимент.

And now, Frontier, today's top supercomputer,

А теперь современному топ суперкомпьютеру Frontier

would need one billion years to perform this computation.

потребовался бы миллиард лет для выполнения этих вычислений.

This dramatic growth in compute power corroborates Neven's Law,

Этот резкий рост вычислительной мощности подтверждает закон Невена,

which says that the power of quantum computers will grow

согласно которому мощность квантовых компьютеров будет расти

at a double exponential rate.

по экспоненте с двойной скоростью.

In 2023, we achieved the second milestone.

В 2023 году мы достигли второго рубежа.

We demonstrated again for the first time

Мы опять впервые продемонстрировали,

that quantum error correction is a scalable technology.

что квантовая коррекция ошибок — это масштабируемая технология.

Error correction sounds boring, but it's crucial.

Исправление ошибок звучит скучно, но это очень важно.

Today, our two-qubit operations have an error rate of 1 in 1,000.

Сегодня наши двух-кубитные операции имеют частоту ошибок в одну тысячную.

That means that in every 1,000 steps or so,

Это означает, что примерно каждые 1 000 шагов квантовый компьютер

the quantum computer will crash.

будет давать сбой.

To improve this,

Чтобы улучшить ситуацию,

we combine many physical qubits to a logical qubit

мы объединяем множество физических кубитов в логический кубит,

to reduce the error rate to 1 in a billion or even less.

уменьшая частоту ошибок до единицы на миллиард или даже меньше.

We are about halfway through our road map,

Мы уже почти готовы к реализации нашей дорожной карты

and we are optimistic that we will complete it

и надеемся, что сможем её завершить

before the end of this decade.

до конца этого десятилетия.

We have done analytical and numerical studies

Мы провели аналитические и численные исследования,

to predict which algorithms will be impactful

чтобы предсказать, какие алгоритмы окажут влияние

on such a large quantum computer.

на такой большой квантовый компьютер.

A class of applications we like and we call Feynman's killer app,

Класс приложений, которые нам нравятся

и которые мы называем «убийственным приложением Фейнмана», —

is the simulation of systems where quantum effects are important.

моделирование систем, в которых важны квантовые эффекты.

This is relevant for designing more effective,

Это актуально для разработки более эффективных

more targeted medicines.

и целенаправленных лекарств.

Specifically, we have worked with a pharmaceutical company

В частности, мы работали с фармацевтической компанией

on algorithms to describe cytochrome P450.

над алгоритмами описания цитохрома P450.

This group of enzymes metabolizes about 75 percent of the drugs we take.

Эта группа ферментов метаболизирует около 75 процентов принимаемых нами лекарств.

Or the design of lighter, faster-charging batteries

Или разработка более лёгких и быстро заряжающихся аккумуляторов,

that can hold a larger charge for electric cars

способных выдерживать больший заряд для электромобилей

or even electric airplanes.

или даже электрических самолётов.

Or to hasten the design of fusion reactors to help with climate change,

Или ускорение проектирования термоядерных реакторов,

чтобы помочь справиться с изменением климата,

arguably humanity's most urgent challenge.

возможно, самой насущной проблемой человечества.

A recent result is a novel algorithm

Недавний результат — новый алгоритм,

that delivers significant speed up for optimization.

обеспечивающий значительное ускорение оптимизации.

This is a big deal

Это очень важно,

because optimization problems are ubiquitous

потому что проблемы оптимизации повсеместно встречаются

in engineering, finance or machine learning.

в инженерии, финансах или машинном обучении.

A way to think about this result is in the future,

Способ оценить этот результат проявится в будущем,

when an AI will play chess or Go against the quantum AI,

когда ИИ будет играть в шахматы или игру Go против квантового ИИ

the quantum AI will win.

и квантовый ИИ победит.

This result shows that quantum computers

Этот результат показывает, что квантовые компьютеры

will become a must-have capability

станут незаменимым средством решения фундаментальных

to serve foundational computational tasks.

вычислительных задач.

I'm also very interested in the intersection of physics

Меня также очень интересует пересечение физики

and neurobiology.

и нейробиологии.

Quantum information science

Квантовая информатика

may enable us to answer one of humanity's deepest questions:

может помочь нам ответить на один из самых глубоких вопросов человечества:

What creates conscious experience?

что создаёт сознательный опыт?

An attractive conjecture is that consciousness

Интересная гипотеза заключается в том, что сознание —

is how we experience the emergence

это то, как мы воспринимаем появление

of a single classical world

единого классического мира

out of the many the multiverse is composed of.

из множества миров, из которых состоит мультивселенная.

With academic collaborators,

Вместе с научными сотрудниками

I have started a program to experimentally test this conjecture

я начал программу экспериментальной проверки этой гипотезы,

using methods of quantum neurobiology.

используя методы квантовой нейробиологии.

If our conjecture is correct,

Если наша гипотеза верна,

this would allow us to expand human consciousness in space,

это позволит нам расширить человеческое сознание

time and complexity.

в пространстве, времени и сложности.

In conclusion,

В заключение хочу сказать,

we are making steady progress

что мы неуклонно продвигаемся

towards building the world's first useful quantum computer

к созданию первого в мире полезного квантового компьютера

and applying its enormous power to important challenges.

и используем его огромные возможности для решения важных задач.

A quantum computer will be a gift to future generations,

Квантовый компьютер станет подарком будущим поколениям,

giving them a new tool to solve problems that today are unsolvable.

дав им новый инструмент решать проблемы, которые сегодня неразрешимы.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)