Квантовый компьютер — квантовый интернет
Даже самые осторожные ученые начинают допускать новые сверхвозможности квантовых компьютеров – вплоть до материализации предметов и мгновенного перемещения неживых и живых объектов на неограниченные расстояния — после того, как 26 февраля 2021, ученым впервые удалось соединить два отдельных кубита (основы квантовых компьютеров) посредством гибкого кабеля.
Согласно сообщению Microsoft News за 27 февраля , был осуществлен громадный скачок в развитии технологии квантовых компьютеров Qubit : была создана первая действующая модель квантового интернета – что до сих пор считалось в принципе невозможным. Последствия развития квантового интернета трудно представить и переоценить: он превосходит возможности и потенциал существующей сети буквально в миллиарды раз.
Что радикальным образом отличает современные квантовые технологии от тех, что работают в макбуке и айфоне? Различие состоит в том, что сейчас мы научились управлять квантовыми системами на уровне их отдельных компонентов, таких как атомы, электроны, фотоны и другие.
То есть внутри транзистора много электронов, а мы научились управлять каждым из них. Внутри лазера много фотонов, а мы научились управлять ими по отдельности.
Квантовые технологии могут перевернуть сразу несколько сфер. Одно из направлений — квантовые компьютеры. Помимо этого, например, есть квантовые коммуникации — это способ передачи информации при помощи одиночных квантовых объектов — частиц света (фотонов), и он гарантирует конфиденциальность переданной информации.
Приборы для квантовых коммуникаций уже существуют. Более того, Россия — одна из немногих стран, в которой уже три-четыре компании разрабатывают и внедряют такие устройства. То есть, например, в этой сфере мы можем претендовать на лидирующие позиции. Еще есть сфера квантовой метрологии и сенсорики.
— Получается, мы отстаем именно в работе над квантовым компьютером?
— Я бы сказал, что это не мы сильно замедлились, а за границей значительно ускорились. Связано это с тем, что в какой-то момент квантовыми вычислениями стали интересоваться не только государства и университеты, но и частные компании.
Планы направить 6,1 млрд рублей на развитие квантовых вычислений
17 февраля 2021 года «Росатом» сообщил TAdviser о том, что в рамках мероприятий, приуроченных к официальному старту Года науки и технологий в РФ, представил приоритетные направления работы, нацеленные на создание отечественного квантового компьютера.
На реализацию «дорожной карты» развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления» в течение 2021 года планируется направить 6,1 млрд рублей. Финансовые ресурсы позволят приступить к строительству центра нанофабрикации на территории Инновационного центра «Сколково», а также обновить существующие лабораторные комплексы организаций-участниц Национальной квантовой лаборатории – созданного под эгидой Росатома федерального консорциума, объединяющего научные центры, технологические компании, университеты и стартапы.
сообщил Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса Госкорпорации «Росатом» по квантовым технологиям.
Положительные стороны ажиотажа
Дэвид ди Винченцо, директор Института теоретической наноэлектроники (г. Юлих, Германия): «Квантовые компьютеры, возможно, появятся через 20 лет»
Однако до этого времени должно пройти не менее 20 лет, считает ди Винченцо. Предполагается, что пока не доказано, что квантовые компьютеры никогда не смогут работать, как это задумывается; они считаются нашей скорой реальностью. До сих пор вся шумиха вокруг D-Wave для ди Винченцо имеет неоспоримое преимущество: она обеспечивает решение действительно насущных проблем квантовых вычислений.
Благодаря промышленным деньгам компания D-Wave проводит фундаментальные исследования, что можно только приветствовать. Однако еще больше внимания D-Wave уделяет «привлечению умов». Так как технические концепции пока не идут дальше идей о том, что с ними можно сделать. Если ажиотаж вокруг D-Wave приведет к тому, что еще больше светлых голов займутся данным вопросом, то настоящее вычислительное чудо может появиться гораздо раньше.
Энергоэффективность
Потребляемая мощность является критическим фактором для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному массиву процессоров требуется изрядное количество блоков питания для поддержания их производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире Sunway TaihuLight (по состоянию на апрель 2017 года) потребляет 15,37 МВт электроэнергии.
Однако, это становится захватывающим с квантовыми компьютерами. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они уменьшат энергопотребление в 100-1000 раз.
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Раз мы уж заговорили о квантовой физике, давайте немножко поговорим о ней. Я не буду углубляться в дебри друзья. Я ведь «чайник», а не квантовый физик. Лет сто назад Энштейн опубликовал свою теорию относительности. Все умные люди того времени удивлялись, как много в ней парадоксов и невероятных вещей. Так вот, все пародоксы Энштейна, описывающие законы нашего мира — просто невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что твориться на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики», описывающие явления происходящие на уровнях электронов и молекул говорят примерно так: » Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как это все работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и записи экспериментов.»
Так в чем же разница между обычным и квантовым компьютером? Ведь обычный компьютер тоже работает на электричестве, а электричество — это куча очень маленьких частиц — электронов?
Наши с Вами компьютеры работают по принципу или «Да» или «Нет». Если есть ток в проводе, это «Да»или «Единица». Если тока в проводе «Нет», то это «Ноль». Вариант значения «1 «и «0» есть единица хранения информации под названием «Бит».. Один байт это 8 бит и так далее и так далее…
Теперь представьте ваш процессор, на котором 800 миллионов таких «проводов» на каждом из которых за секунду появляется и исчезает такой вот «ноль» или «единица». И вы мысленно можете вообразить, как он обрабатывает информацию. Вы сейчас читаете текст, но на самом деле это совокупность нулей и единиц.
Путем перебора и вычислений Ваш компьютер обрабатывает Ваши запросы в Яндексе, ищет нужные до тех пор, пока не решит задачу и путем исключения не докопается до нужной Вам . Выводит на монитор шрифты, картинки в читаемом для нас виде… Пока надеюсь ничего сложного? А картинка — это тоже нули и единицы.
Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.
Так вот, модель атома то же планетарная, там атом тоже вращается вокруг ядра. Но ДОКАЗАНО, друзья, умными парнями в очках, что атом в отличии от Земли одновременно и всегда находится во всех местах..Везде и нигде одновременно. И назвали они это замечательное явление «суперпозицией». Для того, чтобы познакомится поближе и другими явлениями квантовой физики, предлагаю глянуть научно-популярный фильм, где простым языком рассказывается о сложном и в довольно оригинальной форме.
Продолжим. И вот на смену «нашему» биту приходит квантовый бит. Его еще называют «Кубит». У него то же всего два исходных состояния «ноль» и «единица». Но, так как природа его «квантовая», то он может ОДНОВРЕМЕННО принимать все возможные промежуточные значения. И одновременно находиться в них. Теперь значения не надо последовательно вычислять, перебирать. долго искать в базе. Они известны уже заранее, сразу. Вычисления идут параллельно.
Первые «квантовые» алгоритмы для математических вычислений были придуманы еще математиком из Англии Питером Шором в 1997 году. Когда он показал их миру, все шифровальщики здорово напряглись, так как существующие шифры «раскалываются» этим алгоритмом за несколько минут.. Вот только компьютеров, работающих по квантовому алгоритму тогда еще не было.
С тех пор с одной стороны идет работа по созданию физической системы, в которой бы работал квантовый бит. То есть «железа». А с другой стороны уже придумывают защиту от квантового взлома и расшифровки данных.
А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.
Неужели они нас обогнали? 9 кубит или по «старому» 15 бит, это не так много пока еще. Плюс дороговизна, масса технических проблем и короткое время «жизни» квантов. Но вспомните что сначала были 8 битные, потом появились 16 битные процессоры… Так будет и с этими …
Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?
— Они уже есть, и вполне настоящие. Их покупают и продают. Канадская компания «Ди-вэйв» (D-Wave) с 2011 года продает процессоры на нескольких сотнях и более кубитов. Одним из покупателей является аэрокосмическая корпорация «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), приобретшая один из первых 128-кубитных процессоров за $11 млн. В начале прошлого года «Ди-вэйв» выпустила устройство с 2000 кубитов.
Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.
В начале прошлого года D-Wave выпустила устройство с 2000 кубитов, которое работает при температуре −273 градуса по Цельсию
В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.
А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.
Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.
Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.
Охладить цифру
— Создание технологии с нуля впечатляет, правда, вы сказали, что создание квантового компьютера затягивается. Также известно, что развитие обычных компьютеров тоже заходит в тупик: делать все более мощную технику трудно. Где же выход?
— Это так, но на деле сегодня существует довольно много разных альтернативных нарождающихся «электроник»: молекулярная электроника, одноэлектроника и так далее. На мой взгляд, самая перспективная среди них — цифровая сверхпроводящая электроника.
И здесь Россия могла бы не догонять весь остальной мир, как нам приходится делать в квантовых технологиях, а стать первой.
— Почему именно в этом направлении?
— Впервые о такой электронике заговорили в 1980-х у нас в стране. Это был профессор Константин Лихарев из МГУ, который затем переехал в США в Университет Стоуни-Брук. В России тоже осталось несколько групп, которые этим занимаются.
— В чем ее смысл, преимущества и недостатки?
— Суть очень проста: если в обычном компьютере в состояние нуля или единицы переключается транзистор, то здесь в качестве переключателя используются сверхпроводящие элементы. Сначала использовались элементы, которые в состоянии «ноль» находились в сверхпроводящем состоянии, а в состоянии «единица» происходили в состояние, где есть какое-то сопротивление. Лихарев с сотрудниками предложил куда более изящную сверхпроводящую электронику — так называемую одноквантовую логику (Rapid Single Flux Quantum), которая оперирует не с переключениями, а с квантами магнитного потока.
Когда можно будет купить квантовый компьютер
Купить квантовый компьютер сегодня для обычного человека недоступно. Но, это не означает, что их не существует. Эти машины уже собраны и работают. Их разрабатывают и собирают уже сейчас такие крупные компании, как Гугл, Майкрософт и др.
Во многих научно-исследовательских институтах сегодня есть группы, занимающиеся разработкой квантовых технологий и созданием на их основе супербыстрых компьютеров.
Компания IBM уже сделала заявление, что в 2023 г она выпустит первый квантовый компьютер коммерческого назначения. Уже сейчас IBM предоставляет возможность желающим испытать на практике подобные устройства. Они создали специальный облачный сервис IBM Quantum Experience.
Супермощный и быстрый квантовый компьютер – это кардинально новая система. Она отлична от привычной нам фундаментально. По сути, эти две системы несравнимы, как, например, счеты и суперкомпьютер. И, по большому счету, неважно, как скоро они появятся на полках магазинов. Они смогут работать в крупных дата-центрах, которые, несомненно, сделают нашу жизнь более комфортной.
