Вычисления, сети, криптография, сенсорика
Время на прочтение
Говоря про квантовые технологии, чаще всего мы подразумеваем квантовые компьютеры. Однако сфера применения квантовых технологий гораздо шире. Например, уже протянуты многие тысячи километров квантовых сетей, несколько компаний заняты разработкой постквантовых алгоритмов шифрования, тестируются квантовые сенсоры для биомедицинских приложений
В День российской науки вспоминаем Tech Science Meetup от SuperJob, на котором руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МФТИ Алексей Федоров рассказал о том, что представляют собой квантовые компьютеры, об их светлой и темной сторонах и какую роль сейчас играют квантовые технологии в сфере ИТ.
Квантовые технологии интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и с позиции будущих потенциальных сфер применения. Сейчас модно говорить, что мы стоим на пороге новой технологической революции — Индустрии 4.0, базирующейся на машинном обучении, робототехнике, искусственном интеллекте и множестве других инструментов, которые так или иначе связаны с обработкой и хранением информации. Однако внедрение всех этих технологий требует больших вычислительных ресурсов или более эффективных методов передачи информации, чему и должно поспособствовать квантовое направление.
От паровых машин — к электричеству, компьютерам и ИИ
Предел закона Мура как намек на переход к квантовым вычислениям
Вспомним закон, который выражает эмпирическое наблюдение одного из основателей компании Intel Гордона Мура. Согласно ему, количество транзисторов на кристалле интегральной схемы постоянно увеличивается.
Закон Мура можно записать в самых разных величинах — в плотности размещения транзисторов, их размерах, стоимости вычислительной мощности и т.п. И до последнего времени он идеально соблюдался практически во всех своих формулировках.
Рост скорости вычислений в расчете на доллар
Каждая третья, если не вторая, презентация по квантовым технологиям начинается с утверждения, что закон Мура больше не работает, потому что транзисторы приблизились к пределам масштабирования. Если говорить в размерных терминах, в 2020 году должен был бы появиться транзистор величиной с один атом. Однако этого не произошло
При этом все же нельзя сказать, что классический компьютер закончил свое существование и закон Мура полностью себя исчерпал. Как показывают результаты последних лет, за счет, например, новых архитектур классические процессоры продолжают развиваться. Тем не менее, несмотря на это развитие, есть целый класс задач, которые классические компьютеры решают не так хорошо. В частности, задачи, связанные с теорией чисел или комбинаторной оптимизацией, с моделированием сложных систем, например химических реакций, материалов, лекарств или топлива. Во всех этих задачах с увеличением количества переменных сложность растет очень быстро. И здесь нам точно пригодятся квантовые вычисления.
Кубит и рубеж квантового превосходства
В свое время классический компьютер появился благодаря квантовой физике. На рубеже XIX и XX веков для решения ряда физических вопросов возникла квантовая теория. Помимо фундаментально новой картины мира, в которой мы живем, она подарила нам лазеры и транзисторы, в основе которых лежит механизм управления коллективными квантовыми свойствами.
А современные квантовые технологии — это переход от управления большим количеством частиц, коллективным эффектом, к оперированию отдельными квантовыми системами: индивидуальными атомами, фотонами, электронами.
Их поведение радикально отличается от того, к чему мы привыкли в классическом мире.
Первая и вторая квантовые революции — переход от управления коллективным поведением частиц к управлению каждой из них в отдельности
Квантовая система может находиться в состоянии суперпозиции — одновременно в нескольких возможных состояниях. На примере монетки: это будет не орел или решка, а и решка, и орел одновременно.
Еще один характерный момент — явление квантовой запутанности, т.е. проявление очень сильной взаимосвязи между квантовыми объектами. В системе из двух связанных монеток, зная состояние одной, мы могли бы измерить или изменить состояние другой.
Квантовые свойства можно использовать, чтобы строить новые устройства, в том числе для обработки информации. В этом случае основным элементом становится не бит информации, а кубит — суперпозиция нуля и единицы.
У одного кубита два возможных состояния, у двух кубитов — четыре, а у пятидесяти — 2^50 возможных состояний.
Это огромное пространство состояний. Благодаря квантовым свойствам можно создавать в этом пространстве очень сложные квантовые состояния, для описания которых потребовалось бы колоссальное количество информации. За счет преобразования таких состояний оказывается возможным решать сложные задачи, которые, по всей видимости, непосильны для классических суперкомпьютеров. Возможность квантовых компьютеров решать задачи, которые не решаются за разумное время на классических суперкомпьютерах, называется квантовым превосходством.
Что имеем на сегодняшний день?
Масштаб и потенциал квантовых компьютеров пока ограничены. На данный момент мы еще не нашли такую элементную базу, которая позволила бы компьютерам, работающим по принципу управления отдельными квантовыми системами, одновременно иметь большое количество кубитов и обеспечить высокую степень контроля над каждым из них в отдельности. Такое сочетание масштабируемости и контроля нам еще только предстоит найти.
Для использования ресурсов, которые нам дает квантовая механика, — суперпозиции и запутанности — нам необходимо защитить квантовую систему от внешнего воздействия. Любое неконтролируемое влияние извне может переключить квантовое состояние и, например, внести ошибку в реализацию алгоритма. Бороться с такими ошибками на порядок сложнее, чем в классическом мире. Поэтому для развития квантовых компьютеров нам нужны не только эффективные методы увеличения их мощности, но и инструменты защиты от воздействия окружения.
За статус лучшего решения сейчас борются различные платформы квантовых компьютеров — гонка активно идет.
Перспективные платформы квантовых вычислений
Свои элементные базы сегодня развивают как крупные корпорации вроде Google и IBM, так и стартапы. Направления очень разные:
Нам еще предстоит найти аналог кремниевых транзисторов для квантовых вычислений, который позволил бы быстро наращивать мощность. Развитые страны инвестируют в это колоссальные средства. У них есть планы развития квантовых технологий и государственные программы поддержки инициатив. Лидируют по объему инвестиций Китай, США, Европа.
Примерный объем инвестиций в квантовые вычисления по всему миру
В гонке участвует и Россия. У нас принята дорожная карта по развитию квантовых технологий и вычислений, цель которой — развивать и масштабировать накопленный опыт в области квантовых вычислений. Стоит отметить, что в России есть задел по всем ключевым технологиям квантовых вычислений.
Примечательно, что помимо государств в гонке участвуют и частные корпорации. Читая об успехах в квантовых технологиях, мы видим не только Harvard, MIT, Yale, Sorbonne, Ecole Normale, Oxford, Cambridge, но и Google, Microsoft, Alibaba и многих других. Особенно активно в этом направлении сейчас работают ИТ-корпорации. А в последнее время в этой нише из среды университетов и научных центров появилось много стартапов, предлагающих оригинальные технологии и наращивающих за счет этого свою капитализацию. Яркие примеры — IonQ и Rigetti, которые в этом году стали первыми «единорогами» в области квантовых вычислений.
Чем может быть полезен квантовый компьютер
Квантовый компьютер помогает решать задачи, которые традиционно сложны для классических вычислений, например моделирование химических соединений.
Он дает возможность кодировать состояния химических систем, скажем отдельных молекул или их соединений, в кубиты и таким образом проводить вычисления, предсказывать характеристики молекулярных соединений, полученных в ходе реакции.
Ряд существующих химических задач имеют очень высокий экономический эффект. Их решение точно окупит все вложения в разработку квантового компьютера. Хороший пример — задача по моделированию процесса получения аммиака.
Аммиак — очень востребованное химическое соединение, которое применяется в удобрениях. Но в силу неэффективности процесса его производства на него тратится, по некоторым данным, порядка 2-3% всей мировой энергии. Если с помощью квантового компьютера оптимизировать или разработать иной способ производства аммиака, можно было бы сэкономить значительные объемы энергии.
Квантовый компьютер может быть полезен для решения задач оптимизации. Поиск оптимального решения можно представлять себе как блуждание по ландшафту с холмами и впадинами различной глубины в поисках минимума. Эффект от квантовых вычислений можно проиллюстрировать как более эффективный поиск минимумов за счет возможности проникнуть в определенные области, отделенные узким высоким барьером. Для этого параметры задачи оптимизации кодируются в многочастичную квантовую систему, которая ищет свое наиболее выгодное энергетическое состояние.
Решение задачи оптимизации через ее кодирование квантовой системой многих тел
Пример, который приходит на ум, — задача коммивояжера, путешествующего между городами. С ростом числа городов увеличивается количество возможных маршрутов. И оказывается, задачу оптимизации перемещений можно решать путем ее кодирования в квантовой системе.
Еще одно применение — квантовое машинное обучение. В зависимости от задач можно добиться ускорения алгоритмов вплоть до экспоненциального, даже если просто использовать квантовый компьютер как сопроцессор. Такой компьютер может потенциально ускорить многие задачи линейной алгебры или квадратично ускорить поиск по неупорядоченной базе данных. Кроме того, квантовые компьютеры сэмплируют в ходе естественной эволюции квантовой системы, т.е. генерируют распределение, которое сложно получить классическим образом. В целом речь идет не только об ускорении классических алгоритмов, но и о создании принципиально новых методов обучения нейронных сетей или даже новых архитектур.
К слову, лаборатория Google, которая занимается квантовыми компьютерами, называется Quantum Artificial Intelligence Lab. То есть с момента создания этой структуры коллеги из Google видят в качестве одного из основных применений квантовых компьютеров ускорение задач машинного обучения и искусственного интеллекта.
Общая схема применений квантовых компьютеров в поиске новых лекарств, Y. Cao, J. Romero, and A. Aspuru-Guzik, Potential of quantum computing for drug discovery (2020)
Если комбинировать различные методы использования квантовых компьютеров, скажем оптимизацию химических процессов и машинное обучение, можно ускорить решение такой задачи, как создание лекарств. Для работы в этом направлении нам нужны точные сведения о химических соединениях — кандидатах на роль лекарства. Мы должны оптимизировать его структуру и взаимодействие с компонентами, чтобы получить наилучшие свойства. И квантовый компьютер позволяет ускорить генеративные модели, помогающие создавать новые лекарства, опираясь на свойства существующих.
Заказчики квантовых вычислений из числа крупных компаний
Особенность текущего этапа развития квантовых технологий и вычислений — тот факт, что в качестве клиента сюда пришел бизнес.
Возможности квантовых компьютеров, существующих сегодня, — количество кубит и точность операций — ограничены. Они если и дают ускорение, то в очень узком классе задач, у которых нет прямых практических приложений. И в целом квантовое превосходство было доказано только для задач, вызывающих академический интерес. Несмотря на это, заказчиком квантовых вычислений уже сегодня является бизнес — крупные компании, такие как Airbus, Volkswagen и другие. Это компании из совершенно различных сфер: и производство, и финансовые услуги, и исследовательский бизнес. Все они ищут в своих отраслях узкие места, где квантовый компьютер поможет в будущем получить технологическое преимущество за счет решения вычислительных задач.
Именно так я бы и сформулировал второй вызов, который стоит перед исследователями в этой области, — поиск новых приложений, квантовых алгоритмов и неожиданных решений, где квантовый компьютер может быть полезен. Только за счет ресурса алгоритмистов мы можем понять истинный потенциал квантовых вычислений. Возможно, с ними будет та же история, что и с классическим компьютером: больший экономический эффект окажется совсем не в той сфере, для которой он изначально создавался. В свое время компьютеры разрабатывали, чтобы решать дифференциальные уравнения — запускать спутники и ракеты. И на тот момент никто не думал, что возникнет такая большая индустрия, как игровая.
Аналогичная ситуация сейчас и с квантовым компьютером. Мы понимаем, что это инструмент решения задач оптимизации и моделирования. Но, возможно, мы не видим того самого неожиданного и интересного применения, которое у него будет.
Так что сегодня поле конкуренции — не только в области разработки железа, но и в сфере разработки софта и алгоритмов. Мы в Российском квантовом центре тоже активно работаем, создавая облачные платформы доступа к квантовым компьютерам, и пытаемся с помощью индустриальных партнеров решать на них задачи. У нас есть заказчики, т.е. мы работаем не только в интересах фундаментальной науки, но и для индустрии. По всей видимости, одним из основных заказчиков в ближайшее время будет нефтегазовая отрасль, поскольку она нагружена задачами химического моделирования и оптимизации производственных процессов и логистики. Кстати, кроме нас свою дорожную карту развития квантовых вычислений сформировали и в Росатоме.
Кроме того, мы работаем совместно с иностранными компаниями, например с Nissan. Автомобильной индустрии квантовый компьютер поможет с химическим моделированием в процессе разработки нового поколения аккумуляторных батарей. Речь здесь идет не только о железе, но и о соответствующих алгоритмах. Мы этим активно занимаемся. А более долгосрочную перспективу мы видим в фармакологии, генетике, медицине и науках о жизни в широком смысле. В будущем это будут большие заказчики для квантовых алгоритмов.
Квантовая и постквантовая криптография
Если будет создан достаточно мощный квантовый компьютер, способный многократно быстрее, чем это позволяют классические методы, раскладывать числа на простые множители, мы столкнемся с темной стороной квантовых вычислений. Может показаться, что эта задача далека от нас. Однако каждый раз, когда мы заходим в интернет, наши данные шифруются при помощи алгоритмов, стойкость которых обусловлена невозможностью быстро решить такую математическую задачу.
Легко перемножить два числа, но сказать, из каких простых множителей состоит заданное достаточно большое число, — сложная задача. Эффективного классического алгоритма, который мог бы быстро решить эту задачу, нет. Однако в 1994 году американский математик Питер Шор (Peter Shor) показал, что, когда квантовый компьютер будет создан, он сможет решить эту задачу очень быстро. Для решения задачи, на которую классическому компьютеру потребовался бы миллион лет, квантовому компьютеру будет достаточно 10 часов.
Оценки длительности взлома алгоритма RSA с помощью классического и квантового алгоритмов
Стоит отметить, что для практической реализации взлома квантовый компьютер должен быть многократно мощнее тех, что доступны на данный момент. Сейчас квантовые системы имеют не более 100 кубит. А для взлома RSA даже предыдущего поколения требуется как минимум 20 миллионов. Так что произойдет это не завтра. Но риск для представляющей долгосрочный интерес информации, скажем медицинской или генетической, нужно рассматривать уже сегодня.
Для таких задач уже сейчас нужно применять инструменты, устойчивые к взлому с помощью квантовых компьютеров. Подобных инструментов два: квантовая и постквантовая криптография.
Идея квантовой криптографии
Идея квантовой криптографии состоит в том, чтобы кодировать информацию в одиночные квантовые состояния. За счет невозможности скопировать или измерить состояние, не внеся какое-то изменение, можно гарантировать отсутствие неконтролируемого вмешательства в процесс передачи информации (конфиденциальность), даже если злоумышленник обладает всеми возможными техническими средствами, включая квантовый компьютер, и никак не ограничен с точки зрения вычислительных ресурсов.
Когда квантовые компьютеры появятся и станут экономически эффективны, точно не известно. Но сети квантовой криптографии уже активно развертываются по всему миру. Они уже прототипировались в США и Европе. А наибольшая создана в Китае — это магистральная сеть протяженностью больше 4 тыс. км, включающая как наземный, так и спутниковый сегмент. Сегодня этой сетью пользуются банки для обмена регуляторной информацией и для защиты наиболее чувствительных данных, подпадающих под категорию долгосрочной безопасности.
Схема маршрута китайской квантовой сети
Эти технологии активно развиваются и в России. У нас строятся как отдельные устройства, так и сети квантовых коммуникаций.
Демонстрация отдельных узлов квантовой сети
К 2024 году планируется создать сеть квантовых коммуникаций протяженностью 7 тыс. км. Первый сегмент этой сети уже построен между Москвой и Санкт-Петербургом.
В этом году в Москве появились университетские сети. К одной из них реализован открытый облачный доступ — с использованием этой квантовой сети можно создавать собственные приложения. Она расширяемая, т.е. можно добавлять новые устройства, прототипировать протоколы обмена и взаимодействия.
У квантовой криптографии есть интересные новые приложения, например защита управляющей информации для беспилотных транспортных средств, априори устойчивая к атакам.
Схема защиты управления беспилотным транспортным средством с помощью квантовой криптографии
Квантовая криптография — аппаратное решение, требующее разработки новых устройств, которые генерируют квантовые состояния. Но инфраструктурный подход — не единственный. Альтернатива — постквантовая криптография.
Существует миф, согласно которому квантовый компьютер сможет решать все задачи. Но это не совсем так.
Сегодня мы уже понимаем, что класс задач, в которых квантовый компьютер дает ускорение, ограничен. Существуют задачи, для которых мы не знаем эффективных квантовых алгоритмов. На них можно строить новую криптографию с открытым ключом, которая будет устойчива даже при наличии у злоумышленника квантового компьютера.
Постквантовая криптография — программное решение, т.е. фактически новая библиотека криптографических алгоритмов. Поэтому она разрабатывается и стандартизируется уже сегодня.
К 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США должен будет закончить работу над постквантовой криптографией. В России аналогичным стандартом занимается Технический комитет 26. Так что вполне возможно, что квантовая и постквантовая криптография появятся гораздо раньше, чем сами квантовые компьютеры. Благодаря работе в этом направлении, в какой-то момент мы проснемся и увидим, что интернет-соединение защищено новыми алгоритмами, которые построены с учетом возможного появления у злоумышленника квантового компьютера.
Квантовая метрология и сенсорика
Про это направление говорят сравнительно меньше, нежели про квантовые вычисления и коммуникации. Факт хрупкости квантовых систем, когда неконтролируемое воздействие окружения может легко их разрушить, имеет и положительную сторону. На его основе можно создать высокочувствительные системы для измерения магнитных полей, температуры и других параметров, применяя их в интернете вещей или при создании более точной системы глобального позиционирования.
Это очень интересное направление, которое позволяет ответить на большое количество сложных вызовов. Но, чтобы оно по-настоящему раскрыло свой потенциал, нужна концентрация интеллектуальных ресурсов. Здесь есть множество задач для людей с разным бэкграундом.
Квантовое будущее
Мы находимся на пороге экспоненциального роста. Мы прошли этап последовательного развития: идея квантового компьютера родилась еще в 1980-х годах, но за последние пять лет мы видим значительный рост мощности квантовых компьютеров. Количество кубитов увеличивается, мы уже наблюдаем превосходство квантовых вычислений на абстрактных задачах. Осталось конвертировать его в превосходство на прикладных задачах. Это повлечет за собой новых заказчиков квантовых технологий и запустит тот самый цикл производительности — выведет нас на следующую экспоненту роста.
Как связаны квантовые вычисления и квантовый компьютер, и как во всем этом разобраться?
Об эксперте: Руслан Юнусов, глава Национальной квантовой лаборатории.
Квантовые вычисления — самое загадочное и пока еще не изученное направление из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров — все это ожидают от квантового компьютера уже в ближайшее десятилетие.
Руслан Юнусов — о том, почему нас ждет квантовое будущее
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.
Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.
Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.
Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Поскольку ученые строят квантовые компьютеры на нескольких разных платформах (их мы обсудим чуть ниже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.
Современные квантовые компьютеры на сверхпроводниках внешне больше напоминают люстры в стиле стимпанк и функционируют при определенной температуре: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат. Если в помещении становится теплее или холоднее, вычислительная машина становится бесполезной. Для работы квантовых компьютеров применяют систему охлаждения на основе жидкого гелия. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этой конструкции подключен ряд традиционных компьютеров для решения задач. Внутри квантовый компьютер состоит из соединений и труб, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.
Для решения любых алгоритмических задач квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако в отличие от битов, кубиты могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря свойству квантовых объектов — суперпозиции. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.
Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, то квантовый аналог в теории управится за 18 секунд.
Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. Это свойство может применяться при поиске информации по базам данных, составлениях маршрута, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Решение задач, для которых нужно перебрать сотни и тысячи вариантов, ускоряется во множество раз.
Кубиты, в отличие от битов, могут находиться в суперпозиции — то есть одновременно принимать значения 0 и 1
Сейчас многокубитные квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, а их изготовление — сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня — это установка, которая не предполагает персональное использование на дому. Чтобы работать с этим классом устройств, необходимо обладать специальными компетенциями и уметь раскладывать задачи на понятный машине язык.
Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?
Квантовые компьютеры строятся на четырех основных платформах: сверхпроводящих цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. На самом деле платформ существует намного больше: еще есть интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и др.), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Один компьютер может быть создан на базе нескольких платформ. Все они могут работать отдельно друг от друга.
Квантовая платформа — это физический объект, похожий на чип, на котором размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов.
Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепочках. В отличие от других типов кубитов они хорошо масштабируются, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и легче управляются. Однако сейчас мы видим, что международное квантовое сообщество стало все больше интересоваться ионами.
Embed from Getty Images
Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах представил в декабре 2018 года технологический стартап IonQ. Как заявили сами разработчики, построенная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все существующие на рынке аналоги. А в конце 2020 года американская корпорация Honeywell заявила, что ей удалось создать наиболее точный квантовый компьютер на ионах. Вместе с тем, у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры сложно масштабировать из-за аномального нагрева.
Также в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя входят ультрахолодные атомы. Разработкой таких систем чаще всего занимаются академические институты и университеты — например, Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.
Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?
На сегодняшний день квантовые компьютеры и симуляторы функционируют только в лабораториях, и облачный доступ — единственный способ работы с ними для внешних заказчиков. Однако в перспективе использование облачной платформы также экономически более оправдано, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.
Microsoft запустила открытое тестирование собственного сервиса Azure Quantum, который предоставляет облачный доступ к квантовым вычислениям. Час работы с ним стоит от $10 до $900. При этом своего квантового компьютера у Microsoft нет. Система работает на решениях партнеров корпорации, например, компании Honeywell Quantum Solutions и IonQ.
Как устроены квантовые вычисления
Согласно дорожной карте по квантовым вычислениям, разработанной Госкорпорацией «Росатом» и экспертами из Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в виде пилотного проекта до декабря 2022 года. В 2024 году платформа позволит совершать вычисления на российских квантовых компьютерах.
В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?
Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.
Медицина и фармацевтика
Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.
Логистика
Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.
Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.
Информационная безопасность
Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.
Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.
Химическая промышленность
Собственные квантовые компьютеры строят корпорации Google, IBM, Intel, а также компании поменьше — D-Wave и стартап Rigetti. Компания D-Wave создала машину для квантового отжига на 5 тыс. кубитах, которая превосходит прошлое поколение устройств по размеру, количеству связей между кубитами и скорости работы. Устройство является важным инженерным достижением, в будущем используемым для универсальных квантовых компьютеров. Национальные программы по разработке квантовых компьютеров также созданы и на уровне стран — в Евросоюзе, США, Китае и России.
«Квантового превосходства» в лабораторных условиях первой в мире достигла Google: компьютер Sycamore смог выполнить вычисление за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой операцией за 10 тыс. лет, описывал журнал Nature итоги эксперимента компании.
В России ученые работают над созданием квантового компьютера сразу на четырех платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Согласно утвержденной правительством нашей страны дорожной карте по квантовым вычислениям, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся уже в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводников будет состоять из 30 кубитов, на основе нейтральных атомов и ионов — из 100, фотонов — из 50.
Сегодня в России работают прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Отечественные компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решать задачи моделирования простейших молекул. Эти мощности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (метрика зрелости технологий квантовых вычислений, наивысшим уровнем в ней считается QTRL-9).
У этого термина существуют и другие значения, см. Точка (значения).
Коллоидные квантовые точки, облученные УФ-светом. Квантовые точки разного размера излучают разные цвета света из-за квантового размерного эффекта.
Квантовые точки с постепенно ступенчатым изменением спектра излучения от фиолетового к тёмно-красному.
Существует несколько распространённых способов создания квантовых точек. Возможные методы включают коллоидный синтез, самосборку, использование электрического поля и другие.
Квантовые точки сульфида кадмия на клетках
Идеализированное изображение коллоидной наночастицы сульфида свинца (селенида) с полной пассивацией олеиновой кислотой, олеиламином и гидроксильными лигандами (размер ≈5 нм)
Большие количества квантовых точек могут быть синтезированы посредством коллоидного синтеза. Благодаря такой масштабируемости и удобству лабораторных условий коллоидные синтетические методы перспективны для коммерческого применения.
Производство в присутствии электрического поля
Изображение квантовой точки арсенида индия-галлия, в матрице арсениде галлия, полученное сканирующей просвечивающей электронной микроскопией с атомным разрешением.
Высокоупорядоченные массивы квантовых точек также получают электрохимическими методами. Шаблон создаётся путём ионной реакции на границе раздела электролит-металл, которая приводит к спонтанной сборке наноструктур, включая квантовые точки, на металле, который затем используется в качестве маски для меза-травления этих наноструктур на выбранной подложке.
Массовое производство квантовых точек основано на процессе, называемом высокотемпературной двойной инжекцией, который был масштабирован многими компаниями для коммерческих приложений, требующих больших количеств (от сотен килограммов до тонн) квантовых точек. Воспроизводимые размеры КТ, получаемых этим методом производства, используются в широком диапазоне размеров и составов.
Квантовые точки без тяжёлых металлов
Во многих регионах мира в настоящее время действует ограничение или запрет на использование токсичных тяжелых металлов в предметах домашнего обихода, а это означает, что большинство квантовых точек на основе кадмия непригодны для применения в потребительских товарах.
Для коммерческой жизнеспособности был разработан ряд ограниченных квантовых точек, не содержащих тяжёлых металлов, которые демонстрируют яркое излучение в видимой и ближней инфракрасной области спектра и имеют оптические свойства, аналогичные свойствам квантовых точек CdSe. Среди этих материалов — InP/ZnS, CuInS/ZnS, Si, Ge и C.
В полупроводниках поглощение света обычно приводит к тому, что электрон перемещается из валентной зоны в зону проводимости, оставляя после себя дырку. Электрон и дырка могут образовывать связанное состояние, образуя экситон. Когда этот экситон рекомбинирует (то есть электрон возвразается в своё основное состояние), энергия экситона может излучаться в виде света. Это явление называется флуоресценцией. В упрощённой модели энергию испускаемого фотона можно понимать как сумму энергии запрещённой зоны между самым высоким занятым уровнем и самым низким незанятым энергетическим уровнем, энергий удержания дырки и возбуждённого электрона, а также энергии свящи экситона (электронно-дырочной пары):
Рисунок представляет собой упрощённое изображение, показывающее возбужденный электрон и дырку в эксите и соответствующие энергетические уровни. Полную энергию можно рассматривать как сумму энергии запрещённой зоны, энергии, участвующей в кулоновском притяжении в экситоне, и энергий удержания возбуждённого электрона и дырки.
Чтобы улучшить квантовый выход флуоресценции, квантовые точки можно создать с оболочками из полупроводникового материала с большей запрещённой зоной вокруг них. Предполагается, что улучшение связано с уменьшением доступа электронов и дырок к путям безызлучательной поверхностной рекомбинации в некоторых случаях, но также и с уменьшением оже-рекомбинации в других.
Полупроводниковые квантовые точки также использовались для визуализации предварительно меченных клеток in vitro. Ожидается, что способность отображать миграцию отдельных клеток в режиме реального времени будет важна для нескольких областей исследований, таких как эмбриогенез, метастазирование рака, терапия стволовыми клетками и иммунология лимфоцитов.
Использование квантовых точек для нацеливания на опухоли в условиях in vivo использует две схемы: активное нацеливание и пассивное нацеливание. В случае активного нацеливания квантовые точки функционализируются опухолеспецифическими сайтами связывания для избирательного связывания с опухолевыми клетками. Пассивное нацеливание использует усиленное проникновение и удержание опухолевых клеток для доставки зондов с квантовыми точками. Быстрорастущие опухолевые клетки обычно имеют более проницаемые мембраны, чем здоровые клетки, что позволяет мелким наночастицам проникать в тело клетки. Кроме того, у опухолевых клеток отсутствует эффективная лимфодренажная система, что приводит к последующему накоплению наночастиц.
В другом потенциальном применении квантовые точки исследуются в качестве неорганического флуорофора для интраоперационного обнаружения опухолей с помощью флуоресцентной спектроскопии.
Коллоидные фотоэлектрические элементы с квантовыми точками теоретически будут дешевле в производстве, поскольку их можно производить с помощью простых химических реакций.