что такое квантовое превосходство
Что такое квантовое превосходство?
Концепция квантовых систем была впервые предложена российским математиком Юрием Маниным в 1980 году. Однако именно Ричард Фейнман задумал возможность создания квантовых компьютеров в начале 1980-х годов.
Фейнман выдвинул идею о том, что квантовые компьютеры будут эффективны в решении задач химии и физики. Современные компьютеры используют двоичную логику для выполнения задач, но если мы будем использовать правила квантовой механики, многие сложные вычислительные задачи станут выполнимыми.
В 2012 году американский физик-теоретик Джон Прескилл придумал термин «квантовое превосходство» для описания системы, значительно превосходящей классические компьютеры. Он предвещает эру шумных квантовых устройств промежуточного масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISO).
В этой обзорной статье мы объясним, какое значение будет иметь «квантовое превосходство», чего технологические компании достигли на данный момент, почему это так важно. Давайте начнем с основ.
Что такое квантовое превосходство?
Это включает инженерные задачи по разработке мощной квантовой машины, а также вычислительно-теоретическую задачу классификации вычислительных задач, которые могут быть решены с помощью этого квантового компьютера.
Квантовое превосходство является важным шагом на пути к более мощным и полезным вычислениям. Было сделано несколько предложений, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство. Наиболее заметными из них являются:
Как мы скажем об уверенности в том, что квантовое превосходство было достигнуто?
Вы должны точно продемонстрировать две вещи, чтобы проверить квантовое превосходство:
Вторая часть довольно сложная. Оказывается, классические компьютеры могут выполнять определенные типы задач очень эффективно (лучше, чем ожидали ученые). Пока не доказано, что классический компьютер не может эффективно выполнять конкретную задачу, всегда есть шанс, что существует более эффективный, лучший классический алгоритм. Доказательство того, что такого классического алгоритма нет, может быть спорным, и на это может уйти много времени.
Битва за создание квантового компьютера
Уже несколько лет существуют рабочие квантовые устройства, но они превосходят классические компьютеры только при определенных условиях. Большинство задач, выполняемых этими квантовыми машинами, даже не используются в повседневной жизни.
В 2016 году Google разработал полностью масштабируемое квантовое моделирование молекулы водорода с использованием 9-кубитного квантового чипа. В 2017 году Intel изготовила 17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип для квантовых вычислений, а IBM подняла планку, выпустив 50-кубитный чип, который мог сохранять свое квантовое состояние в течение 90 микросекунд.
17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип, разработанный Intel
D-Wave Systems, хорошо финансируемая канадская компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, остается исключением. В 2015 году в лаборатории квантового искусственного интеллекта НАСА был установлен 2-кратный квантовый компьютер с более чем 1000-ю квантовыми разрядами. Компания поставляла системы с 2048 кубитами. В их устройствах используется альтернативный метод, называемый квантовым отжигом, для решения очень специфических задач.
Совершенно неожиданно к концу 2019 года исследователи Google объявили, что достигли квантового превосходства. Они разработали 54-кубитный процессор Sycamore, который выполнял целевое вычисление (вычисление случайной выборки) за 200 секунд.
Согласно данным исследовательской группы, классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет для выполнения тех же вычислений. Такое существенное увеличение скорости (по сравнению с классическими алгоритмами) является экспериментальной реализацией квантового превосходства для этой конкретной задачи.
Что они сделали?
Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, Google решил решить конкретную проблему под названием «случайная выборка схем». Простым примером задачи случайной выборки является программа, имитирующая бросок честного кубика.
Программа будет работать точно, если будет правильно отбирать все возможные результаты. Это означает, что программа должна генерировать каждое число на матрице 1/6 времени, так как оно выполняется многократно.
В реальном сценарии, вместо размещения кристалла, компьютер должен правильно выбирать все возможные выходы случайной квантовой цепи. Эта последовательность действий выполняется на куче кубитов. Когда кубиты проходят через цепь, ее состояние запутывается (также известное как квантовая суперпозиция).
Например, когда схема воздействует на 54 кубита, это приводит к тому, что 54 кубита являются суперпозицией 2 54 возможных состояний в конце схемы. Это означает, что набор из 2 54 возможностей сворачивается в одну строку из 54 битов. Это как бросить кубик, но вместо 6 возможных результатов вы получаете 2 54 результата, и не все из них с одинаковой вероятностью.
Серии выборок из этой случайной схемы (после правильного распределения) могут быть эффективно сгенерированы на квантовых компьютерах. Однако не существует классического алгоритма создания этих образцов на суперкомпьютерах нового поколения. Таким образом, по мере увеличения количества образцов цифровые суперкомпьютеры быстро перегружаются вычислениями.
В этом эксперименте исследователи Google запускали случайные упрощенные схемы от 12 до 53 кубитов, сохраняя постоянным количество циклов вентилей (квантовый логический элемент). Затем они использовали классическое моделирование для проверки производительности квантового компьютера и сравнили его с теоретической моделью.
Как только они подтвердили, что система работает правильно, они запустили случайную жесткую схему с 53 кубитами и увеличенными циклами вентилей, пока не достигли точки, когда классическое моделирование стало неработоспособным.
Процесс демонстрации квантового превосходства
Эксперимент проводился на полностью программируемом 54-кубитном чипе Sycamore. Он содержит двумерную сетку, в которой каждый кубит присоединен к 4 другим кубитам, что обеспечивает достаточную связь для состояний кубита (поэтому они мгновенно взаимодействуют во всем процессоре) и делает невозможным выполнение тех же вычислений на классических компьютерах.
Чтобы достичь такого уровня производительности, они использовали новый вид ручки управления, которая могла отключать взаимодействие между соседними кубитами, значительно уменьшая ошибки в многосвязной системе кубитов. Они также разработали новые управляющие калибровки, чтобы избежать дефектов кубитов, и оптимизировали конструкцию чипа для снижения перекрестных помех, что еще больше улучшило производительность квантового чипа.
Действительно ли Google достиг квантового превосходства?
Чип Sycamore от Google хранится в охлажденном состоянии внутри квантового криостата.
Хотя Google утверждал, что добился квантового превосходства и классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 000 лет для выполнения эквивалентной задачи, IBM оспорила это утверждение, заявив, что идеальная симуляция одной и той же задачи может быть выполнена на классическом компьютере за 2,5 дня с гораздо большей точностью.
Эксперимент Google не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые устройства «превосходят» классические компьютеры. Тем не менее он прекрасно демонстрирует прогресс в квантовых вычислениях на основе сверхпроводников, демонстрируя ультрасовременную точность воспроизведения на 53-кубитной системе.
Заголовки, содержащие некоторые вариации «достигнутого квантового превосходства», бросаются в глаза и интересны для чтения, но они полностью вводят в заблуждение широкую публику.
Согласно определению квантового превосходства, цель не достигнута. И даже если кто-то продемонстрирует это в ближайшем будущем, квантовые компьютеры никогда не будут господствовать «выше» над классическими компьютерами. Вместо этого квантовые системы будут работать бок о бок с классическими суперкомпьютерами, поскольку каждый из них обладает своими уникальными достоинствами и преимуществами.
Применение и будущее
Последние достижения в области квантовых вычислений вдохновили целое поколение компьютерных ученых и физиков на фундаментальные изменения в информационных технологиях.
В настоящее время ученые работают над отказоустойчивыми квантовыми машинами, которые смогут исправлять ошибки вычислений в реальном времени, обеспечивая безошибочные квантовые вычисления. Учитывая текущее состояние дел в квантовых вычислениях, до реализации этой цели еще несколько лет.
Технологические компании инвестируют сотни миллионов долларов в разработку отказоустойчивых квантовых устройств в кратчайшие сроки. Однако, большой вопрос заключается в том, должны ли квантовые машины быть отказоустойчивыми, прежде чем они смогут выполнять полезную задачу.
Такие машины обещают множество ценных применений. Например, квантовые вычисления могут улучшить прогнозирование погоды, усилить кибербезопасность и помочь в разработке новых материалов для самолетов и легких батарей транспортных средств. Они могут точно отображать отдельные молекулы, что, в свою очередь, потенциально может открыть возможности для фармацевтических исследований.
Это также может оказать сильное влияние на банковский сектор. Квантовые вычисления могут решать финансовые вопросы, связанные с оптимизацией инвестиционной стратегии, которая включает в себя анализ огромного количества комбинаций портфелей для определения наиболее подходящих критериев или для распознавания мошеннических транзакций.
В настоящее время трудно предсказать, какие отраслевые квантовые вычисления окажут наибольшее влияние, так как они были протестированы на очень ограниченном наборе задач. Нам нужно будет набраться терпения в течение нескольких лет (или даже десятилетий), прежде чем мы сможем оценить все великолепие квантовой эры.
Эра квантовых вычислений началась: что означает успех эксперимента Google по достижению квантового превосходства
В конце октября компания Google официально объявила в журнале Nature о достижении квантового превосходства. Основатель Центра квантовых вычислений Техасского университета в Остине Скотт Ааронсон, разрабатывавший теорию для эксперимента, объясняет, чем квантовые вычисления отличаются от привычных двоичных, как маленький квантовый компьютер делает то же, что и суперкомпьютер размером с два баскетбольных поля, и для чего мы сможем использовать квантовые мощности.
«Квантовое превосходство» — меткое выражение физика Джона Прескилла, который в 2012 году назвал так способность квантового компьютера совершать вычисления с невиданной до сих пор для существующих суперкомпьютеров скоростью.
Вычисления при этом не должны быть полезными — они призваны лишь доказать сам факт, как в случае экспериментального самолета братьев Райт в 1903 году или первого в мире ядерного реактора Энрико Ферми в 1942-м.
Последние десять лет я занимался теоретическим обоснованием для экспериментов по достижению квантового превосходства. Работу Google я видел еще до публикации, поэтому я могу по крайней мере попытаться просто объяснить, что всё это значит.
Зачем нужен квантовый компьютер?
До недавних пор все компьютеры на планете, от больших ЭВМ 1960-х до вашего айфона или таких, на первый взгляд, экзотических изобретений, как нейроморфные компьютеры или ДНК-компьютеры, работали по одним и тем же принципам. Их сформулировал Чарльз Бэббидж в 1830-е годы и систематизировал Алан Тьюринг в 1930-е.
В ходе компьютерной революции менялись только количественные показатели: увеличивались скорость, объем оперативной и физической памяти, количество процессоров.
Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи.
Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете.
Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции.
Квантовый компьютер: кубиты вместо битов
В лаборатории Санта-Барбары (Калифорния) команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине, которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение (точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды) уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты (qubits, от quantum bits). Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно.
Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить.
Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера.
Вот короткая версия: в повседневной жизни вероятность наступления какого-либо события может составлять от 0 до 100% — поэтому вы никогда не слышали о 30-процентной отрицательной вероятности дождя!
Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность (фотоны и электроны), подчиняются совершенно иным законам вероятности. Они измеряются амплитудами, которые могут быть положительными, отрицательными и даже комплексными (включая квадратный корень из −1).
Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире.
Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1.
Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0.
Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом (в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности» )? Законы квантовой механики действуют непреклонно — придется просчитывать все возможные значения всех тысяч бит. Это 2 в тысячной степени — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной!
Если у вас 53 кубита, как в «Сикоморе» от Google, то получится 2 в степени 53, или около 9 квадриллионов значений.
В чем суть эксперимента по квантовому превосходству?
Цель эксперимента Google — с помощью 53 кубит «Сикомора» произвести вычисление, для симуляции которого обычному компьютеру действительно понадобилось бы 9 квадриллионов шагов.
Кубиты в «Сикоморе» расположены в прямоугольной сетке, которая позволяет каждому кубиту взаимодействовать с соседними. От обычного компьютера снаружи холодильной камеры к «Сикомору» идет сигнал, сообщающий каждому кубиту, как ему себя вести, с каким из соседей взаимодействовать и когда. Иначе говоря, это программируемое устройство — именно поэтому оно и называется компьютером.
В конце все кубиты измеряют, получая случайную строку из 53 битов. Какая последовательность взаимодействий используется для получения этой строки, неважно. В эксперименте Google они были случайными. Затем можно снова выполнить ту же самую последовательность, чтобы сэмплировать другую случайную 53-битную строку точно таким же образом — и так далее, так часто, как вам нужно.
По оценке Google, чтобы повторить пробное вычисление, которое заняло у «Сикомора» 3 минуты 20 секунд, понадобилось бы 10 тысяч лет и 100 тысяч традиционных компьютеров, на которых запущены самые быстрые на сегодняшний день алгоритмы.
Эта задача так сложна, что с помощью обычного компьютера оказалось невозможно даже проверить результаты вычисления! Так что для проверки работы квантового компьютера в самых сложных случаях Google полагался на аналогии с более простыми.
Почему IBM говорит, что Google ничего не достиг
Компания IBM, которая сконструировала свой собственный 53-кубитный процессор, тут же опубликовала опровержение.
Компания заявляет, что с помощью мощнейшего суперкомпьютера на планете она сможет повторить эти вычисления за 2,5 дня, а не за 10 тысяч лет. Для этого понадобится суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси, площадь которого занимает пару баскетбольных полей.
IBM утверждает, что может записать все 9 квадриллионов возможных состояний, используя не умещающиеся в моем воображении 250 петабайт физической памяти суперкомпьютера. Что характерно, IBM не считает, что такое моделирование будет легким: на момент написания этой статьи компания так и не провела его.
Кто и что в итоге доказал?
Сегодня мощнейшие суперкомпьютеры планеты с героическим усилием всё еще могут продемонстрировать малую долю мощности квантовых компьютеров. Но сам факт того, что в компьютерной гонке обычный и квантовый компьютер сравнялись, заставляет предположить, что очень скоро кое-кто вырвется вперед.
Будь у Google процессор не на 53 кубита, а на 60, для проверки результатов компании IBM понадобилось бы уже 30 суперкомпьютеров Summit. А на проверку 70 кубитов нужен суперкомпьютер величиной с огромный город.
Есть ли какая-то научная ценность в бодании двух технологических гигантов? Является ли формальное «квантовое превосходство», пока что не применимое к жизни, важной вехой? И когда вообще ждать от этого всего практической пользы? Предположим, Google все-таки достиг квантового превосходства — что конкретно это доказывает и кто вообще в сомневался в том, что квантовое исчисление мощнее двоичного?
Чем полезен квантовый компьютер?
Давайте начнем с практической пользы.
Шифрование. 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. Но они свое дело делали — переводили абстрактную алгебру логики в электрический сигнал достаточно надежно, чтобы это было полезно практически.
У нас пока что нет квантовой версии транзистора: для этого нужно квантовое исправление ошибок. Чтобы добраться до этой точки, нам понадобятся огромные инженерные мощности, а возможно, и другие инсайты.
Но значение эксперимента Google по достижению квантового превосходства невозможно отрицать: после 25 лет попыток мы наконец оказались в «ламповой эре» квантовых вычислений.
Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?
Компьютерные технологии неустанно развиваются. Обычные смартфоны теперь способны выполнять задачи, на решение которых в прошлом требовалась мощность огромных вычислительных машин. Впрочем, человечество стоит на пороге куда более масштабного технологического скачка. Он произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Всего за несколько минут он сможет решить задачу, на которую даже у самых мощных суперкомпьютеров уйдут десятилетия и даже столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, однако технологии с каждым годом совершенствуются. «Лента.ру» и Homo Science рассказывают, что такое квантовые технологии и каким образом они могут изменить мир.
Одним из первых о создании квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По мысли ученого, такие машины способны моделировать сложные квантовые системы, например, атомы, что не по силам обычному, классическому компьютеру, которому для этого требуется колоссальный объем вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — хотя на тот момент не существовало даже их прототипов — способны на то, на что не способны даже мощнейшие суперкомпьютеры.
В 1996 году американский математик Лов Гровер предложил квантовый алгоритм решения задачи перебора, который теоретически способен ускорить поиск внутри гигантских баз неупорядоченных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью.
Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников.
Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату.
Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений.
Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.
В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра.
На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей.
Что такое квантовое превосходство
Квантовое превосходство — это свойство квантовых компьютеров решать задачи, которые не способны решить классические компьютеры за обозримый период времени. Сейчас ученые рассматривают это достижение больше как доказательство принципа, чем то, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность таких вычислений.
В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. 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 2.0, прогнозирует, что по мере совершенствования квантовых микросхем вычисления будут становиться все быстрее и смогут решать проблемы, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам на планете. 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
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.
В настоящее время усилия ученых сосредоточены на двух направлениях: создании универсальных квантовых компьютеров для широкого круга задач и специализированных квантовых вычислителях. Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов. В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач.
IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях.
ИИ и криптосистемы
Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта (ИИ). ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации. Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. 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. Многие крупные банки, включая JP Morgan Chase, Goldman Sachs, BBVA Bank, Barclays, уже экспериментируют с квантовыми технологиями, чтобы оценить их роль в ближайшем будущем. Экспоненциально ускоренные вычисления могут иметь огромное значение для финансового моделирования, что изменит оценку инвестиционных проектов и повлияет на бизнес-стратегии. Компании, которые смогут позволить себе квантовый компьютер, обретут огромное конкурентное преимущество.
Источником дохода для компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, станут услуги удаленного доступа к их ресурсам. Хотя в будущем квантовые компьютеры получат широкое распространение, в настоящее время заказчики более склонны к тому, чтобы выполнять квантовые вычисления через облако, а не совершать рискованные инвестиции в дорогостоящее оборудование. Параллельно с этим будет расти предложение программных приложений для квантовых компьютеров, инструменты для разработки. Появятся специалисты, которые будут развивать инфраструктуру, используя мощь двух технологий — квантовых вычислений и искусственного интеллекта, изучение которых станет неотъемлемой частью учебной программы.
В России в рамках создания Национальной квантовой лаборатории на первом этапе планируют запустить образовательные проекты и заняться подготовкой высококвалифицированных кадров. Планируется создать устойчивую экосистему квантовых вычислений и вывести ее на международный уровень, что объединит представителей науки, бизнеса и инноваций. Все это поможет нашей стране достигнуть высокого уровня в этой сфере и значительно повысить скорость вычислений и решения сложнейших задач науки.