Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. Последние новости о разработке собраны в этой статье. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов.
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Протокол , который я разработал пару лет назад, использует для генерации случайных битов такой же процесс выборки, как и в эксперименте Google. Сам по себе он не впечатляет, но дело в том, что даже убежденному скептику можно продемонстрировать случайность битов, обеспеченную квантовой интерференцией. Надежная случайность битов необходима для шифрования, например, в случае с криптовалютами с доказательством доли владения Proof-of-stake, или PoS — экологичными альтернативами биткоина. Google, кстати недавно купил права на этот протокол. Симуляция квантовых процессов природы. Еще одно практическое применение потребует больше кубитов и более высокое качество работы — как раз сейчас техногиганты спешат обогнать друг друга в конструировании такого устройства.
Это небольшие квантовые компьютеры, которые смогут симулировать квантовые процессы химических веществ и материалов, помогая ученым в их исследованиях. Симуляция квантовой механики, превосходящая количество амплитуд в реальности за счет компьютера, равного по мощности самой природе, — о таком применении говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х годов, когда создал концепцию квантового компьютера. Это всё еще самое важное применение этой технологии, которое поможет в разработке чего угодно: от аккумуляторов и солнечных батарей до удобрений и лекарств. Достижение невероятных мощностей. Еще одна веха будущего — квантовое исправление ошибок.
В теории эта технология позволит удерживать кубиты в правильном состоянии без помех в течение длительного периода времени. Исследователи полагают, что квантовое исправление ошибок в итоге позволит квантовым компьютерам вырасти от пары сотен кубитов до машин с миллионами или миллиардами кубитов, что сделает мечту Фейнмана реальностью. Но этого пока что никто не сделал — и неизвестно, когда это станет возможным. Google доказал, что квантовая механика работает В то же время эксперимент Google — это решающее доказательство жизнеспособности самой идеи. Построить квантовый компьютер так трудно, что с тех пор как ученые серьезно взялись за это дело в середине 1990-х, некоторые скептики утверждали, что это попросту невыполнимая задача.
Кубиты, говорили они, всегда будут слишком хрупкими, чтобы их контролировать. И если законы квантовой механики предсказывают, что количество амплитуд вычислений растет по экспоненте — что ж, тем хуже для нашего понимания квантовой механики! Эксперимент Google должен дать всем скептикам паузу для размышления. Очевидно, что устройство на 53 кубита действительно смогло просчитать 9 квадриллионов амплитуд, оставив позади все суперкомпьютеры на планете — пусть пока что и в совершенно бессмысленном вычислении. Квантовая механика работает!
Это вывод одновременно ожидаемый и поразительный, консервативный и радикальный. Компьютерная революция началась с одного-единственного изобретения — транзистора. В дотранзисторную эпоху мы застряли на ненадежных электронных лампах.
По мнению большинства, у разных типов имеются разные области применения. Помимо вычислений, различные квантовые материалы могут быть полезны для квантового зондирования или сетевой квантовой связи. Сверхпроводящие кубиты Сверхпроводящие кубиты в настоящее время являются самой передовой технологией кубитов. Большинство существующих квантовых компьютеров используют сверхпроводящие кубиты, в том числе тот, который "побеждает" самый быстрый суперкомпьютер в мире. Они используют многослойные структуры металл-изолятор-металл, называемые джозефсоновскими переходами. Чтобы превратить эти материалы в сверхпроводники — материалы, через которые электричество может проходить без потерь, — ученые остужают их до очень низких температур.
Помимо прочего, пары электронов когерентно движутся через материал, как если бы они были отдельными частицами. Это движение делает квантовые состояния более долгоживущими, чем в обычных материалах. Сейчас все усилия по разработке сосредоточены не изучении того, как улучшить джозефсоновский переход, тонкий изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками в кубите. Влияя на то, как движутся электроны, этот барьер позволяет управлять уровнями энергии электронов. Сделав это соединение как можно более непротиворечивым и маленьким, можно увеличить время когерентности кубита. В одной статье об этих соединениях авторы предлагают рецепт создания восьмикубитного квантового процессора, дополненный экспериментальными ингредиентами и пошаговыми инструкциями. Кубиты с использованием дефектов Дефекты — это места, в которых атомы отсутствуют или неправильно размещены в структуре материала. Эти пространства меняют способ движения электронов в материалах. В некоторых квантовых материалах эти пространства захватывают электроны, позволяя исследователям получать доступ и управлять их спинами.
В отличие от сверхпроводников, эти кубиты не всегда должны находиться при сверхнизких температурах. У них есть потенциал, чтобы иметь долгое время согласования и производиться в больших масштабах. Хотя алмазы обычно ценят за отсутствие недостатков, их дефекты на самом деле весьма полезны для кубитов. Добавление атома азота к месту, где обычно находится атом углерода в алмазах, создает то, что называется центром вакансий азота. Исследователи нашли способ создать трафарет длиной всего два нанометра для создания этих дефектов. Это расстояние помогло увеличить время когерентности этих кубитов и упростило их запутывание. Но полезные дефекты не ограничиваются бриллиантами. Бриллианты дорогие, маленькие, и их трудно контролировать. Нитрид алюминия и карбид кремния дешевле, проще в использовании и уже широко используются в повседневной электронике.
Ученые использовали теорию, чтобы предсказать, как правильно физически деформировать нитрид алюминия, чтобы создать электронные состояния для кубитов. Поскольку азотные вакансии возникают в нитриде алюминия естественным образом, ученые должны иметь возможность управлять вращением электронов в нем так же, как в алмазах. Другой вариант, карбид кремния, уже используется в светодиодных лампах, мощной электронике и электронных дисплеях.
Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты — состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут «просачиваться» туннелировать сквозь диэлектрик. Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, работают как настоящие атомы: они могут излучать и поглощать свет, пребывать в нейтральном и возбужденном состоянии.
Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано производство микросхем.
Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня. Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли. Китай создал новый центр квантовых исследований National Laboratory for Quantum Information Sciences стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период.
Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов. Как работают квантовые компьютеры Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона. До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1».
Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах. Однако квантовые системы трудно поддерживать в состоянии суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается система декогерирует в результате взаимодействия с окружающей средой. Чтобы добиться квантового превосходства, необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью. Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами.
Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году. Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров.
Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений. Как применяются квантовые компьютеры сейчас Все больше крупных компаний разрабатывают квантовые компьютеры, обеспечивая доступ к ним через облачные технологии.
Заказчиками могут быть университеты, исследовательские институты, а также различные организации, которые заинтересованы в том, чтобы протестировать возможные сценарии использования таких вычислений. Рынок пока невелик: по оценкам Hyperion Research , в 2020 году он составил 320 миллионов долларов, однако его ежегодный рост составляет почти 25 процентов. Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов. Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач.
Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы. Например, PsiQuantum привлек 665 миллионов долларов на создание квантовых компьютеров на базе запутанных фотонов.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Но распространяется ли «закон Мура» и на квантовые компьютеры? Несложные вычисления дают понять, что пока, увы, нет. Если бы количество кубитов в квантовых процессорах удваивалось каждые два года, то на текущий момент мы должны были иметь устройства с более чем тысячью кубитов. А имеем — процессоры с несколькими десятками кубитов, что явно не дотягивает до высокой планки Гордона Мура. Может быть, можно просто объединить сотню-другую имеющихся квантовых процессоров и получить желаемый квантовый компьютер с тысячью кубитов?
Не всё так просто. Сложность масштабирования многокубитных систем еще раз показывает кардинальное отличие нашего классического мира от мира квантового. Как мы уже писали в предыдущих статьях серии 1 , 2 , любое классическое взаимодействие с квантовой системой приводит к коллапсу как ее квантового состояния, так и его проекции на одно из классических базисных состояний. Наглядный пример — коллапс трёхмерной сферы Блоха, описывающей квантовое состояние одного кубита, в одно из значений бита классического 0 или 1.
В общем случае такой процесс деградации квантового состояния называется декогеренцией — постепенной потерей системой квантовых свойств за счёт взаимодействия с окружающей средой. При этом само взаимодействие может быть совершенно разным — через электрическое и магнитное поле, вибрации, температуру. Список возможных путей, через которые макроскопический мир влияет на квантовые объекты, огромен! Ведь даже высокоэнергетичные частицы, прилетающие из глубин космоса, могут разрушать квантовые состояния кубитов здесь на Земле!
Благодаря десятилетиям научных исследований физики научились удерживать заданное квантовое состояния кубитов в течение достаточно долгого времени, чтобы с ними можно было производить необходимые операции. Это время, называемое временем когерентности кубита, варьируется в зависимости от его конкретной физической реализации от десятков микросекунд до нескольких секунд. Такое время когерентности позволяет произвести с кубитом несколько сотен квантовых операций до тех пор, пока его квантовое состояние не разрушится слишком сильно. После этого кубит снова нужно возвращать в начальное состояние инициализировать для выполнения последующих операций.
По аналогии с классическими компьютерными схемами, квантовые операции часто называют квантовыми гейтами или квантовыми вентилями, и каждая из таких операций тоже требует определенного времени от десятков наносекунд до сотен микросекунд , что тоже ограничивает быстродействие квантового процессора. За счет взаимодействия друг с другом несовершенства кубитов начинают перемножаться, делая непредсказуемым результат выполнения квантовых операций. Такая же проблема накопления ошибок возникает и при последовательном выполнении множества квантово-вычислительных операций, необходимых для большинства значимых квантовых алгоритмов. Эти несовершенные кубиты Резонно спросить, в чем же причина изначального несовершенства самих кубитов?
Ответить на этот вопрос в общем случае «сферического кубита в вакууме» довольно сложно, поэтому сосредоточимся на двух реальных, физических реализациях квантовых битов: ионах в ловушках и сверхпроводящих структурах. Именно эти две технологии показали самый быстрый прогресс за последнее десятилетие и на текущий момент считаются лидерами в области «железа» для квантового компьютера англ. С ионами в ловушках все довольно просто — сами по себе все ионы идентичны и, в отрыве от внешней среды, могут сохранять свое квантовое состояние неограниченно долго. Однако полностью изолировать их от влияния среды довольно сложно, особенно учитывая тот факт, что они удерживаются в ловушке с помощью электромагнитного поля.
Поэтому основной источник проблем для этого типа кубитов — несовершенство самой электромагнитной ловушки, внешние электромагнитные шумы, а также лазерное излучение, используемое для контроля квантового состояния ионов. Понятное дело, что чем больше ионов помещается в ловушку, тем больше должны быть ее физические размеры, что ведет и к увеличению дефектов в таких системах, и к сложности манипуляций с ней например, из-за физических ограничений оптических элементов, используемых в экспериментальных установках. Изображения 1, 2, 3, 6 и 12 ионов магния, загруженных в новую планарную ионную ловушку NIST. Красным цветом обозначены области максимальной флуоресценции центры ионов.
Чем больше ионов загружается в ловушку, тем они сильнее сближаются, и 12-ионная цепочка превращается в зигзагообразное образование. Основная проблема — масштабируемость таких систем. Ионы — заряженные частички, захваченные в электромагнитные ловушки, взаимодействующие между собой благодаря кулоновскому отталкиванию. Для создания ловушек традиционно используются большие трёхмерные электроды, на которые подается большое напряжение.
Проблема в том, что мы не можем создавать такие бесконечно длинные ловушки для большого количества ионов из-за различных технических ограничений и побочных явлений. Поэтому на текущий момент можно максимально поймать в ловушку около сотни ионов и работать с 30-40 из них.
Прогресс есть посмотрите выше на характеристики более ранних и топовых на сегодняшний день чипов , но пока идет медленно, очень очень медленно. Первый в мире протокол квантового интернета Нидерландские ученые разработали первый в мире протокол для так называемого квантового интернета, работающего без помех и максимально защищенного от взлома. Идея принадлежит специалистам исследовательского центра QuTech. Протокол, работающий на канальном уровне, разработан группой ученых под руководством профессора Стефани Вейнер Stephanie Wehner. Также они проработали общую концепцию квантовых сетей, которые в будущем, по их мнению, могут заменить собой традиционный интернет и локальные сети. В основе идеи специалистов QuTech лежит принцип очень быстрой обработки кубитов, поскольку они не могут находиться в памяти длительное время. Это обеспечит высокую скорость передачи информации, а явление квантовой запутанности, еще одна основа протокола, даст возможность максимально защитить передаваемые данные. Явление квантовой запутанности подразумевает взаимозависимость двух и более объектов, в данном случае кубитов, и их неразрывную связь друг с другом.
Попытка перехвата данных приведет к изменению квантового состояния одного или нескольких кубитов и, как следствие, к потере передаваемой информации. Другими словами, информацию может получить исключительно целевое устройство — несанкционированный доступ к ней исключен. Технические подробности о работе первого протокола квантовой сети Стефании Вейнер оставила в тайне. Она уточнила лишь, что для работы квантового интернета вполне сгодится физическая инфраструктура обычного интернета. Какие компании разрабатывают квантовые компьютеры уже сегодня? Формально дальше всех в этой гонке продвинулась канадская компания D-Wave. Она создала и успешно продает единственные представленные сегодня на рынке квантовые компьютеры.
Вероятность Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0 И вот тут-то загвоздка — значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения. Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить. Запутано, правда? Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты. Какие задачи может решать квантовый компьютер Кубиты помогают быстро обрабатывать данные, поэтому их применение почти безгранично: Медицина Квантовые технологии уже применяют для ускоренной разработки, тестирования лекарств и диагностики некоторых заболеваний на ранней стадии. Например, FAR Biotech исследует биоактивные молекулы и белки и новые структурные классы, которые невозможно было бы обнаружить без мощных квантовых компьютеров. Свои исследования компания направляет на борьбу с онкозаболеваниями. В теории в будущем квантовые вычисления откроют новые горизонты в генной инженерии, помогут создавать новые лекарства и моделировать ДНК. Прогнозирование От финансового сектора до прогноза погоды — кубиты просчитывают множество переменных в разы быстрее, чем обычные компьютеры. Это значит, что прогнозы станут точнее, можно будет определить скорость ветра, температуру, влажность, движение облачных масс за секунды.
Квантовый бит кубит может быть одновременно и в состояниях "0" и "1", и во всех их комбинациях. Кубит - это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Конечно, с точки зрения большинства людей, это звучит совершенно невероятно, но квантовая физика открывает такую возможность. Именно она позволяет квантовому компьютеру за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций быстро решать задачи, которые не по силам мощному суперкомпьютеру. Самое главное, что квантовый выбирает из множества вариантов решения по-настоящему лучший, а не просто оптимальный. Основа традиционного компьютера - кремниевый транзистор, а на чем строится квантовый? Руслан Юнусов: Здесь пока ситуация неопределенная. Мир еще не выбрал лучшую технологию. Сейчас конкурируют 4 варианта кубитов: на одиночных атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. У каждой платформы есть свои плюсы и минусы. Возможно, какая-то одна в конце концов вытеснит остальных конкурентов. А может, останутся все, и каждая окажется наилучшей для определенного класса задач. Ваше превосходство О фантастических возможностях квантового компьютера говорят лет 40, но вот о кардинальных прорывах не слышно. Зато есть достаточно авторитетные скептики, которые утверждают, что он вообще никогда не будет создан. Что это игрушка, которой морочат голову и умело выбивают огромные деньги, удовлетворяя собственное любопытство. Руслан Юнусов: Да, такое мнение существует. Но скептики всегда были, есть и будут. Это нормально. Напомню, что сама идея квантового компьютера была сформулирована в 80-е годы, а первые кубиты появились только через 20 лет, на рубеже 2000-х годов. Прошло еще 20 лет, и сейчас лидеры делают вычислители с сотнями кубитов. Что касается глобальных достижений, то за последние годы произошло как минимум несколько. Так, группы в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства. Превосходства над чем? Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут. Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"? Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен. Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка. ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ.
Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток. Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему.
Другой областью, которая значительно изменится с появлением квантовых компьютеров, станет криптография. Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS TLS , необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок.
Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным. Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем.
Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST Национальный институт стандартов и технологий, США разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым. Однако уже сейчас существуют прототипы защитных протоколов будущего, доступные для тестирования.
Полный переход к ним может затянуться на 15-20 лет. Квантовые компьютеры изменят мир и общество Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера.
Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей. Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты. С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике.
Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети. Ожидаются изменения и в финансовом секторе, где квантовые вычисления поспособствуют более глубокой аналитике и новым торговым возможностям, например, ускорению транзакций и обмена данными. Экспоненциально ускоренные вычисления могут иметь огромное значение для финансового моделирования, что изменит оценку инвестиционных проектов и повлияет на бизнес-стратегии.
Но качество операций лучше на ионной платформе». До конца этого года должны успеть 50 сделать. Посмотрим, может быть, получится и больше», — добавил Юнусов. Квантовые компьютеры в будущем будут использоваться для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты. Перспективным и активно развивающимся также является направление квантового машинного обучения.
Вариантов множество. И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать. И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия!
А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки. Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами. Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем!
Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов! На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Это значит, что в среднем на сотню правильно выполненных операций будет приходиться одна ошибочная. В полномасштабном квантовом компьютере, выполняющем сложный квантовый алгоритм, такие ошибки будут быстро накапливаться, приводя к выдаче неправильных результатов вычислений. При этом существенно повысить точность двухкубитных квантовых гейтов в многокубитных квантовых процессорах пока не представляется возможным. К счастью, многие недостатки компьютерного «железа» можно зачастую решить программными методами. Например, физические ошибки, возникающие в классических компьютерах или линиях передачи данных, детектируются и исправляются с помощью действующих в реальном времени алгоритмов коррекции ошибок, разработанных еще в середине 20 века. Похожие алгоритмы были предложены пару десятилетий назад и для квантовых систем. Например, уже упомянутый выше Алексей Китаев в 1998 году предложил так называемый «поверхностный код» англ. Общая идея такого подхода коррекции ошибок довольно проста — соседние физические кубиты объединяются в логические блоки, каждый из которых в дальнейшем используется квантовым алгоритмом в качестве «логического кубита».
При этом, если каждый логический блок содержит достаточно большое количество физических кубитов, то, даже несмотря на периодически возникающие в них физические ошибки, уровень ошибок логического кубита можно сделать сколь угодно низким. Сколько же таких логических, безошибочных кубитов нужно, чтобы запустить какой-нибудь полномасштабный квантовый алгоритм? Возьмем, для наглядности, все тот же нашумевший алгоритм Шора, обещающий взломать интернет. Текущие методы криптографической защиты данных используют ключи шифрования, состоящие из тысячи бит, что потребует несколько тысяч логических кубитов для его эффективной факторизации разложения на множители. Учитывая количество требуемых квантовых операций и желаемый уровень возникновения ошибок, каждый такой логический кубит должен состоять из примерно тысячи физических кубитов. Перемножая эти два числа, мы получаем оценку в миллион физических кубитов, необходимых квантовому компьютеру для выполнения алгоритма Шора. Миссия выполнима? С учетом того, что самые мощные существующие квантовые процессоры оперируют десятками кубитов, желаемый миллион кубитов выглядит несколько заоблачно.
Однако, если посмотреть на историю развития традиционной индустрии полупроводниковой электроники, то можно увидеть пример такого инженерного чуда, позволившего увеличить количество транзисторов на чипах с нескольких сотен в конце 1960-х годов до десятков миллионов в конце 1990-х. Технологический скачок, необходимый для такого масштабирования, по сложности и объему инвестиций можно сравнить разве что с выходом человека в космос или высадкой на Луну. Существенно отличается лишь количество участников. Многие из игроков этого высокотехнологичного рынка представили и регулярно обновляют «дорожные карты» по развитию своих квантовых платформ. Например, компания IonQ, создающая квантовые процессоры на ионах в ловушках, планирует создать полноценный квантовый компьютер с тысячью логических кубитов необходимых для запуска серьезных алгоритмов уже к 2028 году. Лидеры направления сверхпроводящих кубитов, Google и IBM, дают чуть более размытые прогнозы, обещая создать квантовые процессоры с тысячью физических кубитов в ближайшие пару лет и, отработав на них алгоритмы коррекции ошибок, достигнуть отметки в тысячу логических кубитов до конца десятилетия. Похожие амбиции и у многих государственных программ, нацеленных на создание квантового компьютера. Лидером по объему инвестиций по праву можно считать Китай, вложивший в свою национальную квантовую программу более 10 миллиардов долларов еще в 2016-2017 годах.
Сейчас эти вложения начинают приносить первые результаты, особенно заметные по прорывным статьям из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе University of Science and Technology of China, Hefei. Пытается догнать Китай и национальная квантовая инициатива в США с бюджетом чуть более миллиарда долларов, направленных на создание новых федеральных лабораторий. Сравнимые бюджеты выделили на развитие квантовых технологий и отдельные европейские страны, а сам Евросоюз еще в 2018 году запустил миллиардную программу Quantum Flagship, направленную на поддержку совместных проектов по квантовым технологиям по всей Европе. Общий объем инвестиций в этот быстро растущий рынок оценивается в 25 миллиардов долларов, что сопоставимо с бюджетом американской лунной программы 1960-х годов. Особый путь А что в России? Несмотря на пионерские идеи Юрия Манина в 1980-х и неоценимый вклад отечественных ученых в области квантовых вычислений и квантовой информации, Россия на текущий момент несколько отстает от перечисленных выше лидеров рынка. Такое положение отчасти связано с поздним стартом, ведь первые прикладные проекты по квантовым технологиям в России были запущены лишь в 2010-х например, Российский Квантовый Центр , через 10-15 лет после создания первых квантовых процессоров. Первые одно- и двух-кубитные системы в России были созданы в 2015-2016 годах, а в этом году был представлен первый 5-кубитный квантовый процессор.
Масштабирование до существующих мировых аналогов с десятками кубитов потребует еще несколько лет упорной работы российских лабораторий, при условии сравнимого с мировыми лидерами уровня инвестиций. Точечные грантовые вложения в российские квантовые технологии осуществлялись как минимум на протяжении последних десяти лет, однако их небольшой, относительно мирового уровня, объем, и слабое взаимодействия между грантополучателями затрудняло быстрое развитие этой области в России. Свою роль здесь сыграло и отсутствие современной технологической базы для создания необходимых для квантовых процессоров микроэлектронных схем центров нанофабрикации , а также сложности с поставками высокотехнологичного измерительного оборудования из-за рубежа криогеники, микроволновых и оптических систем и нехватка специалистов в области квантовых технологий.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. 504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам.