Квантовые компьютеры. Очень просто об очень сложном
Загадочная технология Quantum Computers (КК) начинает мелькать в новостях все чаще. Но для большинства это остается тайной, покрытой мраком непреодолимого для понимания барьера квантовой физики.
Статья — моя попытка, как инвестора в стартапы, заглянуть в технологию будущего до того, как это станет мейнстримом. Математиков, физиков и изобретателей прошу не судить меня строго.
В 1981 году американский физик Richard Feynman, нобелевский лауреат 1965 года, заявил, что квантовая механика сделает революцию в компьютерах, тем самым предсказав появление квантовых компьютеров (КК)
«Действительность — не классическая, черт возьми, и если мы хотим сделать ее симуляцию, нужно использовать методы квантовой механики, и это великая мировая задача, которая кажется очень не простой»
В 1994 году американский математик Shor из Massachusetts Institute of Technology придумал первый квантовый алгоритм, который дал разительное превосходство полиномиальных алгоритмов над экспоненциальными при нахождении факторов целых чисел. Это был исторический момент, который спровоцировал математический ренессанс, квантовые алгоритмы стали появляться один за одним, предлагая принципиально новые подходы к решению задач, которые ставят современные компьютеры тупик и всегда были в списке трудно решаемых математических задач
В современных компьютерах при решении многих задач сложность вычислений растет экспоненциально при линейном увеличении порядков чисел, что делает невозможным эффективное описание многих физических процессов. В квантовых системах же зависимость обратная, что позволяет им щелкать как орешки задачи с большими числами. Симуляция квантовых алгоритмов возможна на современных суперкомпьютерах, однако максимум удается виртуализировать только систему из 50 кубитов (Qubits), а для запуска супер алгоритмов нужно как минимум МИЛЛИОН кубитов
Применение этих новых супер алгоритмов возможно только на КК, что запустило процесс глубокой научной разработки методов конструирования КК. Сейчас существует несколько потенциально рабочих моделей, все они основаны на физике элементарных частиц и явлений, что выходит за рамки возможности понимания неспециалистов. Главные направления разработки — использование фотонов (частиц света), суперпроводников (транзисторный метод), адиабатических волн (стремление физических систем к покою), и контролируемые ионов.
Если абстрагироваться на уровень выше, то принципиальное отличие КК от современных компьютеров в том, что вместо логического двоичного элемента — Бита, используется Кубит, который может иметь любое значение между 0 и 1
В 2019г Google сделал громкое заявление о практически подтвержденном превосходстве КК. Их 53 кубитная машина Sycamore смогла решить за 200 секунд задачу, которая на современных суперкомпьютерах заняла бы 10 тыс лет.
2021г стал прорывным для КК. Появились рабочие прототипы до 127 кубит (IBM), которые показали, что теория была верна и КК неминуемо (когда-то в будущем) сделают вычислительную революцию. На некоторых функциях КК уже могут показывать превосходство над современными суперкомпьютерами в ТРИЛЛИОН ТРИЛЛИОНОВ РАЗ. Число новых стартапов в области КК, патентов и финансирование (государственное и венчурное) начали расти экспоненциально.
IBM планирует выпустить 1121 кубитный КК в 2023, а магическую планку в 1 миллион кубитов взять к 2030 году
Главными источниками финансирования КК на данный момент остаются государства. Это нормальное явление для deep-tech технологий, в которые пока не готовы массово входить частные капиталы. Интернет, беспилотные авто и космос тоже начинались как правительственные проекты за десятилетия до их коммерческого применения.
Однако, 2021 год стал переломным в плане финансирования КК. За последний год было вложено $1 млрд венчурных денег, что в 3 раза больше, чем за 3 предыдущих года вместе взятых. Эти цифры, кончено пока ничтожно малы. К примеру, за 2021г только в доставку еды самокатами по всей планете было инвестировано в десятки раз больше. Но прогресс не остановить, разработки КК вплотную подошли к границе, где их практическое применение уже находится в обозримом будущем.
КК трансформируют человечество и дадут колоссальные прорывы во всех областях. Но это не в ближайшее время. До первых практических применений еще как минимум 3-5 лет, а до настоящего квантового превосходства (Quantum Supremacy) — около 10 лет. Вот только вершина айсберга научных прорывов, который таит в себе изобретение КК:
- Физика. Открытие возможности для практического применения всей накопленной со времен Эйнштейна теоретической базы квантовой механики. Что потенциально может привести к возможности человечества манипулировать временем и пространством.
- Биотехнологии. Разработка лекарств на немыслимых сегодня скоростях. Победа над всеми болезнями, замедление (или даже остановка) процессов старения.
- Большие данные (BigData) и искусственный интеллект (AI) — радикальное ускорение обработки данных. На сегодня большая часть собираемой человечеством информации пылится в хранилищах (Data Lakes) без дела. КК откроют дорогу к изобретению универсального ИИ (AGI) и достижения сингулярности.
- Химия. Создание материалов с любыми необходимыми свойствами, в т.ч. сверхпроводники
- Экономика и поведенческая психология. Моделирование и предсказание всех макроэкономических процессов. Решение всех логистических проблем.
- Моделирование и аэродинамика. Создание автомобилей, самолетов и ракет с идеальными параметрами обтекания.
- Климат. Предсказание и даже управление планетарными климатическими процессами
Главная проблема масштабирования КК в том, что физически эти системы настолько малы, что на их состояние может влиять любое внешнее воздействие, будь то тепло, электромагнитное излучение, радиация, космические лучи, внешние элементарные частицы. Чип, где происходит все волшебство, имеет площадь несколько квадратных сантиметров. А все остальное нагромождение оборудования вокруг — это защита от шума и контроллеры стабильности и управления.
На данный момент активно развиваются облачные квантовые сервисы (IBM, Google, Microsoft, Amazon, Alibaba), которые дают возможность исследователям прикоснуться к КК
Локомотивом венчурного инвестирования в 2021г стал калифорнийский стартап PsiQuantum, который привлек рекордные $450 млн на разработку фотонного КК. Также отличился канадский Xanadu (фотонный КК), калифорнийский Rigetti (разработка софта для КК), американский IonQ (ионный КК), израильский Quantum Machines (оборудование для КК)
Выгодно ли сейчас инвестировать в КК стартапы? Если поверить в неотвратимость квантовой революции в ближайшие 5-10 лет — то ответ однозначно ДА. Это как делать ставку на электромобили 10 лет назад, когда идея казалась интересной, но немного утопичной. Или ставку на развитие интернета 25 лет назад, когда мало кто понимал для чего может пригодиться объединение компьютеров в глобальную сеть. Или ставку на персональные компьютеры 35 лет назад, когда идея иметь компьютер в каждом доме казалась наивной и бессмысленной.
Автор — Александр Столыпин, частный инвестор в технологические стартапы, организатор инвестиционного венчурного синдиката IPOSharks и автор одноименного телеграм канала
Полезная статья, которая может принести читателю ещё и хороший доход, если он часть своего капитала диверсифицированной распределит в такие компании.
Есть одно мудрое высказывание: в прошлое нельзя вернуться и сделать все по другому (например, купить акции Тесла по 50$), но зато можно создавать будущее уже сейчас.
Александр, благодарю за интересное и полезное исследование. Очень хочется больше таких статей в разрезе тех компаний, которые ты видишь потенциальными и в которые можно вложить деньги на ранних стадиях!
ПС: Есть люди, которые говорят полезные вещи, а есть которые не только говорят, но и сами их используют, а ещё делятся с другими. Однозначно, как в книге Адама Гранта «Брать или отдавать» ты человек дающий, за что тебе большая благодарность!
Как это работает? | Квантовый компьютер
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Идея квантовых вычислений была независимо предложена Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов прошлого века. С тех пор была проделана колоссальная работа по созданию квантового компьютера. Однако полноценный универсальный квантовый компьютер все еще является гипотетическим устройством, возможность разработки которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. К настоящему моменту были созданы единичные экспериментальные системы с алгоритмом небольшой сложности. Как же работает квантовый компьютер — об этом в сегодняшнем выпуске!
Основное отличие квантового компьютера от классического заключается в представлении информации. В обычных компьютерах, работающих на основе транзисторов и кремниевых чипов, для обработки информации используется бинарный код. Бит, как известно, имеет два базовых состояния — ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. Что же касается квантового компьютера, то его работа основывается на принципе суперпозиции, а вместо битов используются квантовые биты, именуемые кубитами. У кубита также имеется два основных состояния: ноль и единица. Однако благодаря суперпозиции кубит может принимать значения, полученные путем их комбинирования, и находиться во всех этих состояниях одновременно. В этом заключается параллельность квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости перебирать все возможные варианты состояний системы. Кроме того, для описания точного состояния системы квантовому компьютеру не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, так как для расчета системы из 100 частиц достаточно лишь 100 кубитов, а не триллион триллионов бит.
Также стоит отметить, что изменение состояния определенного кубита в квантовом компьютере ведет к изменению состояния других частиц, что является еще одним отличием от обычного компьютера. И этим изменением можно управлять. Процесс работы квантового компьютера был предложен британским физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем в 1995 году, когда он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно его схеме, для начала берется набор кубитов и записываются их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение, которое и является результатом, выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки.
По словам ученых, квантовые компьютеры будут в миллионы раз мощнее нынешних. Уже сейчас описаны самые разнообразные алгоритмы работы квантового компьютера, и даже разрабатываются специальные языки программирования. По прогнозу исследователей Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия. Лидером в этой области является Япония: более 70% всех исследований приходится на эту страну.
Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.
Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен
До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.
Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.
Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM
Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.
Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.
Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.
Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.
Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.
В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.
Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.
Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.
Первый российский кубит под электронным микроскопом
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.
Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.
Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.
Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем
Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».
Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.
Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.
