Почему квантовые компьютеры имеют значение?
Объем ежедневно создаваемых данных просто огромен, и современные компьютеры уже не всегда успевают за такими объемами. Современные суперкомпьютеры по-прежнему слишком медленны для выполнения некоторых наиболее важных научных задач, например, тестирование воздействия новых лекарственных препаратов на молекулярном уровне.
Благодаря возможности выполнять очень сложные вычисления значительно быстрее, или даже моделировать эти лекарства на молекулярном уровне, квантовые компьютеры способны предоставить такой необходимый рост производительности и скорости. Большинство специалистов согласны с тем, что квантовые компьютеры – это наш шанс справиться с вызовами 21 века.
Квантовые компьютеры и их перспективы
О радужных перспективах квантовых вычислений говорят уже не один десяток лет — этим принципиально иным с технической точки зрения компьютерам прочат судьбу следующей большой технологии, которая ускорит, улучшит и выведет на принципиально новый уровень многие сферы человеческой жизни. Долгое время все подобные утверждения неизменно сопровождались оговорками: когда появятся коммерческие квантовые компьютеры и когда удастся продемонстрировать квантовое превосходство. Недавно банк CITI опубликовал обширный отчёт о состоянии рынка квантовых вычислений. Cудя по его содержанию, оговорки вот-вот можно будет отбросить, а квантовые компьютеры станут технологией, которая определит технологический облик 2020-х годов. Глядя на отчет CITI, разбираемся, как устроены современные квантовые компьютеры и какие сферы жизни они изменят.
Как работает квантовый компьютер?
Кубиты станут строительными элементами будущих квантовых компьютеров, способных решать задачи, практически недоступные классическим цифровым компьютерам. Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла.
С ростом числа объединенных кубитов, вычислительная мощность такой квантовой системы экспоненциально растет. Теоретически это позволяет квантовому компьютеру справляться с задачами, на которые обычному цифровому компьютеру понадобятся миллионы лет. Например, давно известен так называемый алгоритм Шора, позволяющий быстро раскладывать большие числа на простые множители (задача, необходимая для взлома современных шифров). Обычные компьютеры решают эту задачу перебором возможных делителей, поэтому длинные числа современные компьютеры могут обрабатывать годами. Квантовый компьютер справился бы с такой задачей за считанные минуты и даже секунды, в зависимости от производительности.
Квантовые алгоритмы
Квантовые алгоритмы используют эффекты квантовой механики, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность, для вычислений. Они отличаются от классических алгоритмов и могут привнести новые возможности и решения для сложных задач.
Кубиты
Кубиты – это базовые элементы квантовых вычислений. В отличие от классических битов, кубиты могут находиться в суперпозиции различных состояний, что позволяет им выполнять параллельные вычисления. Кубиты будут основными строительными блоками будущих квантовых компьютеров.
Применение квантовых компьютеров
Из-за своих особенностей, квантовые компьютеры могут привнести революционные изменения в различные области промышленности. Они могут ускорить процессы моделирования молекул, поиска лекарств, создания новых материалов и решения других сложных задач.
Пример применения
Квантовые компьютеры могут помочь ученым разгадать сложные структуры материалов, процессы появления сложных композитов и даже разработку новых материалов. Это открывает новые перспективы для материаловедения и других областей промышленности.
Как квантовые компьютеры могут изменить мир: ускорение процесса создания лекарств
Сходным образом они могут помочь и в поиске новых лекарств. Ныне дела в этой сфере обстоят непросто: даже с использованием компьютерного моделирования на разработку новых лекарств уходят годы исследований и огромное количество денег.
Много времени занимает моделирование возможных молекулярных структур лекарств и виртуальное тестирование их взаимодействия с болезнью.
Квантовые компьютеры потенциально способны ускорить процесс поиска правильной комбинации молекул, а кроме того предсказать их взаимодействие не только с клетками патогена, но и с другими биологическими целями, и дать тем самым более детальное представление о токсичности лекарства-кандидата, его фармакокинетике и других особенностях.
Цифровые двойники и цепочки поставок
Цифровые двойники — это практика создания и тестирования виртуальных версий различных проектируемых систем перед их физическим воплощением.
Хотя использование цифровых двойников уже зарекомендовало себя как эффективный инструмент для тестирования компонентов и производственных процессов, квантовые цифровые двойники обеспечат существенный прирост в детализации виртуальных тестов и скорости поиска оптимальных вариантов.
Проектировать и производить сложные механизмы станет дешевле и легче.
Пример анализа взаимосвязей цепочек поставок
Цепочки поставок во многом напоминают квантовую систему.
В них задействованы миллионы компонентов с различными свойствами, которые меняются с течением времени в зависимости от условий.
Компоненты (поставщики, клиенты, транспорт, курьеры и так далее) влияют друг на друга и часто — непредсказуемым образом.
Но он непредсказуем лишь потому, что закономерности в этой хаотичной и постоянно меняющейся системе выявить сложно.
Квантовый компьютер, способный одновременно просчитывать тысячи вариантов одного и того же уравнения, может легко справиться с такой задачей и помочь оптимизировать то, что сейчас кажется невозможным.
Финансовая сфера и квантовые компьютеры
Многие виды деятельности в сфере финансовых услуг требуют способности прогнозировать целый перечень рыночных сценариев и их исходов.
Для этого банки полагаются на алгоритмы и модели для расчета статистических вероятностей.
Однако современная финансовая сфера перегружена данными и требует все более мощных компьютеров для точного вычисления.
Возможности квантовых вычислений и их потенциальное превосходство над классическими компьютерами в плане производительности могут существенно усовершенствовать многие финансовые инструменты и практики.
Квантовые компьютеры сумеют тщательнее проанализировать поведение клиентов, делать более точные предложения и анализировать финансовые риски.
Квантовые вычисления и их влияние на различные сферы
Помимо перечисленных, квантовые вычисления способны опосредованно улучшить и многие другие сферы человеческой деятельности. Их способность симулировать квантовые состояния молекул могут привести к разработке принципиально новых технологий в области экологии.
Например, более энергоёмких батарей, менее дорогостоящих катализаторов для получения водорода и более эффективных катализаторов для улавливания углекислого газа из атмосферы.
В совокупности эти и другие разработки приведут к замедлению глобального потепления. По некоторым оценкам, приводящимся в отчёте CITI, к 2035 году квантовые вычисления помогут климату планеты избавиться примерно от 7 гигатонн углекислого газа.
Кибербезопасность, криптовалюты и Web3
Кибербезопасность — это сфера, в которую квантовые вычисления приносят скорее риски, чем новые возможности. Природа этой технологии такова, что с её помощью можно будет сравнительно быстро расшифровать информацию, на вычисление которой у классических компьютеров ушли бы сотни и тысячи лет.
Ныне ещё не существует квантовых компьютеров, достаточно мощных и безошибочных, чтобы выполнять подобные операции, однако, по мнению как минимум 50% опрошенных авторами отчёта экспертов, квантовый компьютер, способный за сутки взломать RSA 2048-bit (один из самых надёжных алгоритмов шифрования), появится в течение следующих двадцати лет.
Алгоритмы шифрования
Алгоритмы шифрования, устойчивые к квантовым атакам, существуют уже сейчас, однако большинство конфиденциальной информации зашифровано с помощью обычных алгоритмов.
И как только у одной из мировых разведок или у другого актора с намерением получить доступ к конфиденциальным данным появится достаточно мощный квантовый компьютер, его можно будет использовать для расшифровки той информации, что раньше считалась невзламываемой.
Проблема с квантовым шифрованием
Проблема с квантовым шифрованием отчасти напоминает проблему 2000, или проблему Y2К-совместимости. В конце девяностых выяснилось, что разработчики ПО в двадцатом веке часто использовали для обозначения года в дате два знака, а не четыре.
Это делалось для экономии памяти. При наступлении 1 января 2000 года при двузначном представлении года после 99-го наступал 00 год. Многие старые программы интерпретировали это как 1900 год или нулевой год. Ошибка могла привести к серьёзным сбоям в работе приложений в финансовой сфере или, например, на объектах критической инфраструктуры.
Чтобы избежать негативного сценария, организациям по всему миру пришлось обновить миллионы компьютеров.
Так и с квантовыми компьютерами: чтобы однажды третьи лица не смогли получить доступ к зашифрованным с помощью классических алгоритмов данным, их нужно зашифровать заново, но уже с помощью постквантовых алгоритмов.
Квантовые компьютеры повлияют не только на кибербезопасность, но и на любую другую сферу, где алгоритмы шифрования играют ключевую роль. Криптовалюты и зарождающаяся концепция Web3, предполагающая создание децентрализованных финансовых сервисов, активов, приложений и прочего, в группе риска. По оценкам, сделанным в 2021 году, успешная «квантовая» атака может обойтись рынку криптовалют в 99,2% капитализации, или — на момент анализа — в 1.9 трлн долларов. Ожидается ещё порядка 1,5 трлн непрямых убытков, но это консервативные оценки, так как вся инфраструктура Web3 строится на базе блокчейна или похожих технологий распределенного реестра. А они в свою очередь опираются на классические криптографические стандарты. Другими словами, чтобы распределённый реестр и всё, что было создано на его основе, пережили пришествие квантовых вычислений, технологии нужно обновлять с оглядкой на постквантовое шифрование. Хорошие новости в том, что время на внедрение необходимых изменений у рынка ещё есть.
Век квантовых компьютеров уже настал, но перспективы туманны
Читать на сайте inosmi.ru
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Почти два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который они теперь называют IBM Q Experience. Тогда устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство для серьезной обработки данных. В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся «квантовом превосходстве».
После десятилетий изнурительного труда без особых надежд на успех, вокруг квантовых вычислений внезапно развилась прямо-таки лихорадочная деятельность. Почти два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который они теперь (что звучит немного странно) называют IBM Q Experience. Тогда устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство для серьезной обработки данных. Однако в проекте зарегистрировалось 70 тысяч пользователей по всему миру, и к настоящему времени число кубитов увеличилось в четыре раза. Несколько месяцев назад IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов. Также известно, что еще один компьютер ждет своего часа в стенах компании Google. «Сообщество полно энергии, а недавние прорывы поражают», — заявляет физик Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина.
В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся «квантовом превосходстве»: времени, когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать одни лишь числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но вся суть квантовых вычислений заключается в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долгое время считалось, что 50 кубитов будет достаточно для проведения вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго. В середине 2017 года исследователи из Google объявили, что собираются продемонстрировать квантовое превосходство к декабрю. (На недавнюю просьбу поделиться новыми данными представитель компании ответил так: «Мы объявим результаты, как только они будут достаточно обоснованными, а пока проводится тщательный анализ уже имеющихся наработок».)
Очень хочется сделать вывод, что все основные проблемы решаемы и будущее, в котором квантовые компьютеры — явление повсеместное, это лишь вопрос технического оснащения. Но он будет ошибочным. Физические вопросы в основе квантового вычисления пока еще далеки от решения.
Даже если мы вскоре и шагнем в эпоху квантового превосходства, следующие год-два могут оказаться решающими — действительно ли квантовые компьютеры полностью изменят подход к вычислениям? Ставки все еще высоки, и нет никаких гарантий, что цель будет достигнута.
И преимущества, и проблемы квантовых вычислений являются неотъемлемой частью физики, которая делает их возможными. Об основах уже было сказано не раз, хотя не всегда уточнялось, чего же требует квантовая механика. Классические компьютеры хранят информацию и обрабатывают ее в двоичном коде (0 либо 1). В квантовых компьютерах ситуация почти та же самая, только каждый бит находится в так называемой суперпозиции, то есть он может быть и 0, и 1 одновременно. Это значит, что определить состояние кубита можно лишь с некоторой долей вероятности.
Чтобы выполнить вычисление с большим количеством кубитов, все они должны находиться во взаимозависимых суперпозициях — в состоянии «квантовой когерентности», при котором все кубиты считаются сцепленными. В таком случае малейшее изменение в одном кубите может повлиять на все остальные. То есть вычислительные операции с использованием кубитов имеют большую производительность, чем с использованием классических битов. В классическом устройстве вычислительные возможности находятся в простой зависимости от количества битов, а вот добавление каждого нового кубита увеличивает возможности квантового компьютера в 2 раза. Именно поэтому разница между 5-кубитным и 50-кубитным устройством так значительна.
Заметьте, я не сказал, как это часто делают, о том, что преимущество квантового компьютера перед классическим заключается в существовании суперпозиций, которые намного увеличивают количество возможных состояний закодированной информации. Как и не сказал, что сцепленность позволяет проводить много вычислений одновременно. (На самом деле, высокая степень сцепленности кубитов не является обязательным условием.) Доля правды в этом есть, но сути квантового вычисления ни одно из утверждений не описывает.
Из-за сложности понимания квантовой механики объяснить, почему квантовое вычисление обладает такой мощью — серьезная задача. Уравнения квантовой теории определенно показывают, что работать она будет — по крайней мере, с некоторыми видами вычислений: при факторизации или поиске по базе данных процесс ускоряется колоссально. Но насколько именно?
Пожалуй, самый безопасный способ описать квантовые вычисления — это сказать, что квантовая механика определенным образом создает «возможности» для вычислений, которые недоступны классическим устройствам. Как заметил физик Дэниел Готтесман из Института теоретической физики Периметр (Институт Периметра) в Ватерлоо: «Если доступно достаточное количество квантовой механики, то в некотором смысле процесс ускоряется, а если нет, то не ускоряется».
Хотя некоторые моменты все же ясны. Для проведения квантовых вычислений необходимо, чтобы все кубиты были когерентны, а это крайне трудно реализовать. Взаимодействие системы когерентных кубитов с окружающей средой создает каналы, через которые когеренция быстро «утекает». Этот процесс называется декогеренцией. Ученые, планирующие создать квантовый компьютер, должны предотвращать декогеренцию. Сейчас им удается остановить ее лишь на долю секунды. Ситуация становится сложнее, когда количество кубитов, а, соответственно, и возможность взаимодействия с окружающей средой возрастает. Именно поэтому, хоть идея квантовых компьютеров и была впервые предложена Ричардом Фейнманом еще в 1982 году, а теорию разработали в начале 1990-х, устройства, способные выполнять настоящие вычисления, удалось создать только сейчас.
Существует и вторая серьезная причина, по которой создать квантовый компьютер так тяжело. Как и любые другие процессы в мире, он издает шум. Случайные флуктуации, возникающие, скажем, из-за температуры кубитов или из-за особенностей фундаментальных квантомеханических процессов, могут менять направление или состояние кубита, что приводит к неточности расчетов. Такая угроза существует и в работе с классическими компьютерами, но она довольно просто решается. Необходимо просто создать две или более резервных копий каждого бита, чтобы случайно перевернутый бит не учитывался.
Ученые, работающие над созданием квантового компьютера, разработали несколько путей решения проблемы, но все стратегии приводят к появлению слишком большого числа дополнительных вычислительных расходов, так как вся вычислительная мощность расходуется на исправление ошибок, а не на выполнение заданных алгоритмов. «Текущая частота ошибок значительно ограничивает продолжительность возможных вычислений, — поясняет Эндрю Чайлдс, соруководитель Объединенного центра квантовой информации и вычислительных наук в Мэрилендском университете. — Нам нужно значительно улучшить результаты, если мы хотим создать что-то интересное».
Многие исследования в области фундаментальных квантовых вычислений посвящены методам исправления ошибок. Отчасти сложность проблемы определяется еще одним из ключевых свойств квантовых систем: суперпозиции можно поддерживать только до тех пор, пока вы не измеряете значение кубита. Измерение разрушит суперпозицию и приведет к определенной величине: 1 или 0. Как можно определить, произошла ли ошибка в работе кубита, если вы не знаете, в каком состоянии он находился?
В одной хитроумной схеме предлагается использовать косвенное вычисление путем объединения кубита со вторым вспомогательным кубитом. Последний не участвует в вычислении, поэтому его измерение не влияет на состояние основного кубита. Вот только реализовать это довольно сложно. Подобное решение означает, что для того, чтобы создать настоящий «логический кубит», защищенный от ошибок, необходимо много физических кубитов.
Сколько? Квантовый теоретик Алан Аспуру-Гузик из Гарвардского университета считает, что для создания одного логического кубита потребуется около десяти тысяч физических, что не представляется возможным в настоящее время. По его словам, если все пойдет хорошо, то это число уменьшится до нескольких тысяч или даже сотен. Айзерт настроен не так пессимистично и полагает, что порядка восьмисот физических кубитов будет достаточно, но признает, что даже при таком раскладе «дополнительные расходы вычислительной мощности все равно будут велики». Необходимо найти возможность справляться с ошибками.
Существует альтернатива исправлению ошибок. Их можно избегать или предотвращать влияние, что называют смягчением последствий ошибки. Исследователи из IBM разрабатывают схемы для математического вычисления вероятности появления ошибки, а затем принимают полученный результат за уровень нулевого шума.
Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок так и останется неразрешенной и не позволит квантовым компьютерам достичь предсказанных им высот. «Создание квантовых кодов, исправляющих ошибки, гораздо сложнее демонстрации квантового превосходства», — объясняет математик Еврейского университета в Израиле Гил Калай. Он также добавляет, что «приборы без исправления ошибок очень примитивны в своих вычислениях, а превосходство не может основываться на примитивности». Другими словами, квантовые компьютеры не превзойдут классические, если не избавиться от ошибок.
В ближайшее время квантовые компьютеры будут работать с ошибками. Возникает вопрос: как с этим жить? Ученые IBM говорят, что в обозримом будущем область исследования «приблизительных квантовых вычислений» будет сосредоточена на поиске путей приспособления к шуму.
Одно из недавних устойчивых к ошибкам приложений технологии, судя по всему, имеет большую ценность для ученых, нежели чем для мира в целом: моделирование материалов на атомарном уровне. (Фактически, это было мотивацией, заставившей Фейнмана предложить идею квантовых компьютеров.) Уравнения квантовой механики описывают способы вычисления стабильности или химической реакционной способности (например, у молекул лекарств). Но эти уравнения не могут быть решены без использования большого количества упрощений.
Однако по словам Чайлдса, квантовое поведение электронов и атомов «относительно близко к естественному поведению квантового компьютера». Это значит, что можно было бы построить точную компьютерную модель молекулы. «Многие члены научного сообщества, в том числе и я, считают, что первое успешное применение квантового компьютера будет связано с квантовой химией и материаловедением», — делится Аспуру-Гузик: он был одним из первых, кто начал продвигать квантовые вычисления в этом направлении.
Квантовое моделирование доказывает свою полезность даже на тех маленьких квантовых компьютерах, которые доступны нам сегодня. Команда исследователей, в которую входит и Аспуру-Гузик, разработала алгоритм, названный ими «Вариационным методом решения задач в квантовой механике» (далее — ВМР). Этот алгоритм позволяет найти наименее энергозатратное состояние молекулы даже в шумных кубитах. На данный момент он может обрабатывать только очень маленькие молекулы с небольшим количеством электронов. С этой задачей хорошо справляются и классические компьютеры. Но возможности квантовых постоянно растут, как показали Гамбетта и его коллеги в сентябре прошлого года, когда использовали шестикубитное устройство, чтобы рассчитать электронную структуру молекул, таких как гидрид лития и гидрид бериллия. Работа стала «значительным прорывом для квантовых наук», как выразился специалист в области химической физики Маркус Райхер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. «Использование ВМР для моделирования маленьких молекул — отличный пример того, как можно применять краткосрочные эвристические алгоритмы», — считает Гамбетта.
Но, по словам Аспуру-Гузика, логические кубиты, способные исправлять ошибки, потребуются еще до того времени, когда квантовые компьютеры обгонят классические. «Не могу дождаться момента, когда способные на исправление ошибок квантовые вычисления станут реальностью», — прокомментировал он.
«Если бы у нас было больше двух сотен кубитов, мы могли бы делать по-настоящему новаторские вещи, — добавил Райхер. — А с пятью тысячами кубитов квантовый компьютер мог бы серьезно повлиять на науку».
А какой у вас объем?
Достичь таких целей невероятно сложно. Несмотря на все трудности, квантовые компьютеры из пятикубитных стали пятидесятикубитными всего за год — этот факт вселяет надежду. Тем не менее не нужно слишком зацикливаться на этих цифрах, потому что они рассказывают лишь малую часть истории. Сейчас важнее не сколько у вас кубитов, а как хорошо они работают и насколько эффективны разработанные вами алгоритмы.
Любое квантовое вычисление завершается тем, что начинается декогеренция, которая перемешивает кубиты. Как правило, время декогеренции группы кубитов составляет несколько микросекунд. Количество логических операций, которые можно выполнить за такое короткое время, зависит от скорости переключения квантовых ворот. При слишком низкой скорости становится неважно, сколько кубитов у вас в распоряжении. Количество операций, необходимых для того или иного вычисления, называется глубиной вычисления: алгоритмы с низкой глубиной эффективнее, чем глубокие алгоритмы. Однако доподлинно неизвестно, приносят ли они пользу при вычислениях.
Более того, не все кубиты одинаково шумны. Теоретически возможно создать кубиты с низким уровнем шума из материалов, которые находятся в так называемом «топологическом электронном состоянии»: если использовать частицы в таком состоянии для кодирования двоичной информации, она будет защищена от случайного шума. В попытке найти частицы в топологическом состоянии, исследователи из Microsoft в первую очередь изучают экзотические квантовые материалы. Тем не менее нет никакой гарантии, что их исследования увенчаются успехом.
Чтобы обозначить мощность квантового вычисления на конкретном устройстве, исследователи из IBM предложили термин «квантовый объем». Это число, которое объединяет все важные факторы: глубину алгоритма, число и связность кубитов, а также прочие показатели качества квантовых ворот (например, шумность). В целом этот «квантовый объем» характеризует мощность квантового вычисления. По словам Гамбетты, сейчас необходимо разработать квантово-вычислительное оборудование, которое позволит увеличить доступный квантовый объем.
Это одна из причин, почему хваленое квантовое превосходство — довольно смутная идея. Сама мысль о том, что 50-кубитный квантовый компьютер превзойдет современные суперкомпьютеры, звучит привлекательно, однако остается множество нерешенных вопросов. При решении каких именно задач квантовый компьютер превосходит суперкомпьютеры? Как определить, правильный ли ответ получил квантовый компьютер, если его нельзя проверить с помощью классического устройства? А что если классический компьютер будет эффективнее квантового, если найти более совершенный алгоритм?
Таким образом, квантовое превосходство — это концепция, которая требует осторожности. Некоторые исследователи предпочитают рассуждать о «квантовом преимуществе», о скачке в развитии квантовых технологий, а не об окончательной победе квантовых компьютеров над обычными. Более того, большинство старается не использовать слово «превосходство», поскольку оно содержит негативный политический и расистский смысл.
Вне зависимости от названия, если ученые продемонстрируют, что квантовые компьютеры могут выполнять задачи, с которыми не справляются классические устройства, то это станет чрезвычайно важным психологическим моментом для данной области. «Демонстрация неоспоримого квантового преимущества войдет в историю. Это докажет, что квантовые компьютеры действительно могут расширить наши технологические возможности», — уверен Айзерт.
Возможно, это станет символическим событием, а не кардинальным изменением в области вычислительной техники. Тем не менее на это стоит обратить внимание. Если квантовые компьютеры превзойдут обычные, это случится не потому, что IBM и Google внезапно запустят их в продажу. Чтобы достичь квантового превосходства, нужно наладить запутанную систему взаимодействия между разработчиками и пользователями. И последние должны быть твердо уверены, что новинку стоит попробовать. В стремлении к этому сотрудничеству, IBM и Google стараются как можно быстрее предоставить пользователям свои разработки. Ранее IBM предлагала всем зарегистрировавшимся на сайте доступ к своему 16-кубитному компьютеру IBM Q. Теперь компания разработала 20-кубитную версию для корпоративных клиентов, среди которых JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung и Оксфордский университет. Подобная коллаборация не только помогает клиентам найти что-то полезное и интересное, но и создает квантово-грамотное сообщество программистов, которые будут разрабатывать новые функции и решать проблемы, нерешаемые в рамках одной компании.
«Чтобы область квантовых вычислений активно развивалась, нужно дать людям возможность использовать и изучать квантовые компьютеры, — утверждает Гамбетта. — Сейчас всему научному и промышленному миру следует сосредоточиться на одной задаче — подготовке к эпохе квантовых компьютеров».
Перевод проекта Newочём
Lockheed Martin использует канадскую квантовую систему D-Wave
На июль 2013 года даже современные, пока еще не очень совершенные, квантовые вычислительные системы пользуются огромным интересом ведущих мировых кампаний. Так, канадскую квантовую вычислительную машину D-Wave использует оборонная компания Lockheed Martin, а в начале 2013 года D-Wave усилил вычислительные мощности Google. D-Wave не является универсальным квантовым компьютером, хотя и может быть использован в качестве основы для его разработки. D-Wave – это 512-кубитная вычислительная машина на сверхпроводящих кольцах предназначенная для решения так называемых задач комбинаторной оптимизации, например анализа генома, вариантов сворачивания белков и т.п. Google будет использовать D-Wave для проектирования систем искусственного интеллекта, способного к самообучению.
Квантовые вычисления в медицине
Основная статья: Квантовые вычисления в медицине
Научные исследования квантовых вычислений
Основная статья: Научные исследования квантовых вычислений
Рынок квантовых компьютеров на пороге
Самый крупным из известных квантовых компьютеров ныне располагает компания IBM. Её машина состоит из 433 кубитов. Следом идёт компания Pascal (324 кубита), QuEra (256 кубитов), Xanadu (218 кубитов) и ряд других компаний с компьютерами мощностью менее 100 кубитов. А всего количество компьютеров и компаний, занятых их производством, пока не превышает нескольких десятков. У самой технологии тоже есть ещё множество недостатков: «квантовый» шум влияет на точность результатов, а время когерентности (период времени, в течение которого компьютер способен удерживать информацию внутри кубита) — на стабильность работы таких машин. От компьютера к компьютеру эти параметры разнятся, и, соответственно, разнятся результаты, которые выдают нынешние квантовые машины.
Даже сами квантовые компьютеры бывают разных видов: сверхпроводящие, ионные, спиновые, на «холодных атомах», фотонные. Пока неясно, какой из подходов окажется наиболее перспективным.
Кроме того, квантовым компьютерам ещё предстоит продемонстрировать реальное квантовое превосходство — то есть решить сложную практическую проблему, доказав тем самым собственную практическую ценность в сравнении с классическими компьютерами. То есть сделать то же самое, что и классический компьютер, но значительно быстрее и/или дешевле. Пока что таких примеров нет, за исключением исследования компании IBM, которая в июне продемонстрировала, как квантовый компьютер рассчитывает упрощённую (и нереалистичную) модель гипотетического материала.
Рынок пока что находится в зачаточном состоянии. И всё же он есть. По разным оценкам, его объем в 2022 году составлял от 300 млн до 1 млрд долларов. К 2027 году, по ожиданиям аналитиков, он должен вырасти до 10 млрд долларов. Другими словами, эра квантовых вычислений еще не наступила, но квантовые компьютеры перестали быть теорией и научными исследованиями. Они превратились в явление, которое начнет существенно влиять на нашу реальность уже в ближайшие годы.
Мировой рынок квантовых компьютеров
Основная статья: Квантовые компьютеры (мировой рынок)
Квантовые компьютеры и сети в России
Основная статья: Квантовые компьютеры и сети в России
Российский квантовый центр (РКЦ)
Основная статья: Российский квантовый центр (РКЦ, Russian Quantum Center, RQC)
Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики
Основная статья: Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики
Квантовый компьютер "Росатома"
Основная статья: Квантовые технологии Росатома
Квантовые технологии в РЖД
Основная статья: Квантовые технологии в РЖД
Квантовые компьютеры в США
Основная статья: Национальная квантовая инициатива в США (National Quantum Initiative)
Квантовые компьютеры IBM
Основная статья: Квантовые компьютеры IBM
Преодоление закона Мура
Долгое время сфера компьютерных вычислений развивалась по так называемому закону Мура. Согласно ему, раз в 18–24 месяца средняя производительность доступных человечеству компьютеров удваивается за счёт кратного увеличения количества транзисторов на процессорах нового поколения. Однако в последние годы закон перестаёт работать, а рост вычислительных мощностей замедляется: производители процессоров упираются в ограничения квантового мира — нельзя сделать транзистор меньше хотя бы пары атомов кремния.
Разница между экспоненциальным и двойным экспоненциальным ростом
Инженеры ищут и наверняка найдут способ расположить ещё больше транзисторов на одной и той же площади, но о двукратном увеличении производительности «по Муру» мечтать не приходится. Между тем во многих сферах возникает всё больше задач, требующих масштабных вычислительных мощностей. Решать такие задачи с помощью классических компьютеров и дорого, и долго. И вот тут на помощь приходят квантовые компьютеры. Считается, что существует ряд задач, с которыми квантовые компьютеры справятся лучше, чем классические. К ним относятся минимум три области вычислений.
В отличие от закона Мура, который описывает экспоненциальный рост вычислительных мощностей, квантовые вычисления демонстрируют уже двойной экспоненциальный рост. В квантовых компьютерах каждый новый добавленный в систему кубит удваивает количество состояний, в которых компьютер может находиться в одно и то же время. Другими словами, чтобы квантовым вычислениям показывать такой же прогресс, какой показывали классические в рамках закона Мура (удвоение мощностей каждые пару лет), им нужно добавлять по одному кубиту к компьютеру раз в два года. Однако на практике прогресс идёт ещё быстрее.
По данным журнала Scientific American, в декабре 2018 года исследователям из Google понадобился обычный ноутбук, чтобы воспроизвести вычисления, сделанные самым лучшим квантовым компьютером компании. В январе 2019 года квантовый компьютер обновили, и для того, чтобы воспроизвести вычисления на классическом компьютере, уже потребовался очень мощный ноутбук. В феврале, после очередного апгрейда, для тех же целей понадобилась сложная система серверов.
При этом из-за мимолётности явлений, которыми оперируют квантовые компьютеры, они очень сложны в устройстве и требовательны к условиям работы. Например, многим из них требуются сверхнизкие температуры и особые технологии защиты от «шума», возникающего в процессе вычислений. Именно поэтому в обозримом будущем (а может, и никогда) им не стать заменой классическим компьютерам. Вместо этого квантовые компьютеры будут преимущественно доступны в «облачном» режиме и расширят вычислительные возможности классических систем. Похожая аналогия из истории развития компьютерной техники — это видеокарты. В определённый момент задачи по обработке графической информации сняли с центрального процессора и перенесли на отдельный чип. Так будет и с квантовыми вычислениями: отдельные задачи перестанут вычислять на классических процессорах и передадут их квантовым компьютерам.
Вторая квантовая революция
Первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии – мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.
Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.Цифровизация ТЭК: тренды, перспективы, крупнейшие ИТ-поставщики. Обзор TAdviser
С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологии и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.
Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.
Google заявила о вероятности создания квантовых компьютеров
Процессор квантового компьютера D-Wave, 2014
Помянутое достижение стало возможным в результате перехода в компанию Google группы ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре , осенью 2014 года. В свое время она разработала и изготовила систему квантовых сверхпроводящих схем, работающих с уровнем точности и надежности, достаточным для реализации технологии устранения ошибок.
"Это первый случай в истории информационных технологий, когда "естественные" ошибки, возникающие в результате воздействия на кубиты различных факторов окружающей среды, могут быть исправлены, – поведал Рэми Барендс (Rami Barends), инженер компании Rami Barends. – Мы создали первое квантовое устройство, способное самостоятельно исправить возникающие при его работе ошибки".
Интересующимся сферой квантовых вычислений хорошо известно – основная проблема, с которой сталкиваются создатели квантовых вычислительных систем – необходимость сохранения квантового состояния кубитов в течение длительного времени. Хрупкое квантовое состояние может нарушаться вмешательством любого, из достаточно большого набора внешних факторов, от которых отгородиться полностью не получается принципиально. Решением этой проблемы является квантовый код коррекции ошибок, основа которого – классический метод устранения ошибок, достаточно широко используемый в современной вычислительной технике.
Но главная проблема, с которой пришлось столкнуться исследователям, в том, что разработанный код коррекции не имеет возможностей обнаружения возникшей ошибки прямым способом, не нарушая квантовое состояние кубитов.
Исследователи обошли эту проблему, используя явление квантовой запутанности, при помощи которого один кубит может делиться информацией с другими кубитами посредством "призрачной" квантовой связи. Корректирующий код, включенный в состав квантовой системы, измеряет значение квантового состояния кубита, запутанного с несколькими соседними кубитами, что помогает удержать его исходное состояние неизменным.
Созданный код коррекции ошибок работает за счет использования определенного пространственного расположения кубитов, которое чем-то напоминает шахматную доску. В белых квадратах этой доски располагаются информационные кубиты, задействованные в выполнении квантовых вычислительных операций, а в черных квадратах находятся "измерительные" кубиты, используемые для коррекции ошибок, возникающих в прилежащих информационных кубитах.
Для демонстрации технологии исследователи изготовили простое устройство, состоящее из девяти кубитов, упорядоченных в виде матрицы 3 на 3 элемента. И работа этой системы, точнее, работа корректирующего кода была проверена при помощи 90 тысяч специализированных вычислительных операций, что позволило собрать необходимое количество статистических данных.
"Это послужило доказательством тому, что потраченные на теоретические исследования годы не прошли впустую и практическая реализация технологий коррекции ошибок возможна" – отметил Джулиан Келли (Julian Kelly), инженер компании Google.
Еще одно достижение: исследователи продемонстрировали, что показатели успешного устранения ошибок в квантовой системе увеличились с увеличением количества кубитов. К примеру, уровень ошибок при работе системы с пятью кубитами был в 2,7 раз меньше уровня ошибок в системе с единственным кубитом. А разница в этих уровнях между системами с одним и девятью кубитами составила чуть более 8,5 раз.
"Это захватывающая новость для сферы квантовых вычислений. Все указывает на то, что системы с большим количеством квантовых битов могут быть стабильны и не рухнут под напором лавины возникающих ошибок, – подчеркнул Джулиан Келли. – И это, в свою очередь, означает, что квантовые компьютеры, оперирующие большим количеством кубитов, все же могут быть созданы".
Что особенного в квантовых компьютерах?
Квантовые компьютеры — это устройства, фундаментально отличающиеся от классических вычислительных машин. В основе обычных компьютеров лежат биты — минимальные единицы информации, которыми оперируют классические процессоры. Процессоры состоят из миллионов очень маленьких транзисторов. Каждый из них может быть либо включённым, либо выключенным. Когда транзистор включён, он подаёт сигнал, и в двоичной системе наличие сигнала соответствует единице, а его отсутствие (если транзистор выключен) — нулю. Единица или ноль — это биты информации. Оперируя нулями и единицами, классические компьютеры производят вычисления.
Репрезентация кубита (хорошее название для альбома)
Минимальная единица информации в квантовых компьютерах — это кубит, или квантовый бит. Его отличие от «классического» собрата заключается в том, что он может находиться не только в состоянии 1 или 0, но и в суперпозиции — то есть одновременно в двух состояниях. В суперпозиции кубит находится во время перехода из одного состояния в другое, до того момента, как это состояние будет измерено. Ближайшая аналогия — монетка, вращающаяся на столе. Пока она вращается, существует определённая вероятность, что в итоге выпадет орёл. И другая вероятность — что выпадет решка. На практике это выливается в неспособность квантового компьютера выдавать детерминированные результаты вычислений. Вместо этого он рассчитает вероятность возникновения того или иного варианта.
В очень упрощённом виде эту разницу в принципах вычислений можно увидеть на простом примере: 9 + 11 = 20. Классический компьютер будет выдавать ответ 20, сколько бы раз ему ни задали эту задачу. Квантовый компьютер в большинстве случаев также выдаст этот ответ, но время от времени будет воспроизводить и другие ответы: например, что сумма равна 18 или 22. Квантовый компьютер выдаёт распределение вероятностей, а классический — точный результат.
Другая особенность квантовых компьютеров — квантовая запутанность. В классических процессорах состояние одного бита не влияет на состояние другого. Принцип работы кубитов, напротив, предполагает, что состояние одного из них может влиять на состояние другого. Это позволяет квантовым компьютерам не выполнять набор вычислений одно за другим, а считать всё сразу одновременно.
Итого: вероятностный характер результатов вычислений и способность выполнять множество вычислений одновременно — то, что разительно отличает квантовые компьютеры от классических.
Эти же особенности не позволяют квантовым компьютерам полностью заменить классических собратьев. Однако они открывают перспективу для взрывного роста вычислительных возможностей в отдельных сферах деятельности человека.