В России создан прототип квантового компьютера
Российский квантовый центр открыл доступ к облачной платформе квантовых вычислений для исследователей и бизнеса. Платформа позволяет решать сложные вычислительные задачи на квантовом компьютере пользователям, не обладающим профильным образованием и экспертизой в квантовой механике. Система самостоятельно преобразует задачу, сформулированную пользователем на языке математики, техники или экономики, в программу для «бэкенда» – квантового компьютера, – а затем приводит результат вычисления обратно в понятную форму.
Платформа будет полезна для решения задач дискретной оптимизации, а также для анализа экономического эффекта от внедрения квантовых вычислительных архитектур. В первую очередь технология рассчитана на компании в сфере финансов, логистики, химической и атомной промышленности, биоинформатики и телекоммуникаций.
Среди основателей спин-оффа руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии», профессор МФТИ Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовая оптика» и профессор Оксфордского университета Александр Львовский. Команда проекта уже реализует пилотные проекты с рядом индустриальных партнеров, в том числе с автопроизводителем Nissan.
Платформа обладает интуитивно понятным интерфейсом и сразу несколькими квантовыми бэкендами: так, специалисты по работе с данными и исследователи смогут самостоятельно переключаться между предложенными вариантами:
— эмулятором квантовых вычислений SimCIM, разработанным и запатентованным командой проекта. Для решения задач он использует классические алгоритмы, которые моделируют поведение квантовых систем;
— квантовыми компьютерами, создаваемыми в рамках реализации дорожной карты по квантовым вычислениям;
— квантовыми вычислителями сторонних международных компаний.
Для удобства компаний-клиентов из различных индустрий разработчики сформировали комплекс готовых приложений для финансовой оптимизации, квантовой химии, биоинформатики, логистики и пр., а также набор инструментов для сравнительного анализа алгоритмов. Число приложений и бэкендов будет увеличиваться по мере развития проекта и появления новых стратегических партнерств.
«Наша команда с самого начала решила фокусироваться на решении актуальных бизнес-задач, поскольку эта концепция позволяет наглядно оценить преимущества квантовых вычислений перед традиционными. Мы получили заявки на подключение со стороны научных учреждений и представителей бизнеса из России, Франции, Германии, Великобритании, Тайваня и Китая и сейчас начинаем предоставлять им доступ и реализовывать совместные проекты», — сообщил Алексей Федоров, сооснователь платформы.
«Квантовый компьютер позволяет решать сложные вычислительные задачи на много порядков быстрее современных электронных вычислительных машин. Эта технология, ещё недавно казавшаяся фантастикой, быстро становится реальностью: всё больше научных и инженерных коллективов показывают прототипы квантовых вычислительных устройств, которые либо уже превзошли электронные процессоры, либо преодолеют этот барьер в ближайшем будущем. Наша платформа позволяет использовать эти устройства, не вникая в чрезвычайно сложную физику, на которой они основаны»,— подчеркнул Александр Львовский, сооснователь платформы.
Помимо Российского квантового центра, об открытии доступа к собственной облачной квантовой платформе объявили и ученые из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Софтверная платформа для разработчиков квантовых и гибридных квантово-классических алгоритмов, представленная исследователями, дает доступ к эмуляторам квантовых компьютеров на атомах и фотонах, развитие которых осуществляется в рамках проекта Прибой и Центра квантовых технологий НТИ МГУ. В мире облачный доступ к квантовым компьютерам предоставляют лидеры в области квантовых вычислений: Google, IBM, Microsoft, Amazon и другие.
Один хакер может причинить столько же вреда, сколько 10 000 солдат! Подпишись на наш Телеграм канал, чтобы узнать первым, как выжить в цифровом кошмаре!
Квантовое превосходство и развитие технологий в России
Пока что главным препятствием для стабильной работы квантовых компьютеров является высокий уровень шумов, не позволяющий поддерживать нужное состояние квантовых объектов достаточно долго для работы практических алгоритмов.
Разработки алгоритмов для квантовых компьютеров идут одновременно с технологическими исследованиями в ожидании момента, когда их можно будет применить в «железе». В частности, активно идет разработка алгоритмов, которые можно применить на «квантовых системах промежуточного масштабирования» (это те самые экспериментальные модели)
Большинство физических устройств находится в США, где и происходит жесткая конкуренция между ИТ-концернами.
Осенью 2019 года Google заявил о своей технологической победе — достижении квантового превосходства на новом процессоре Sycamore. Квантовый компьютер на основе сверхпроводящих кубитов продемонстрировал быстродействие и решил задачу, с который самый мощный суперкомпьютер справится только за 10 тыс. лет.
Квантовое превосходство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить. В отличие от квантового преимущества, подразумевающего возможность решать проблемы быстрее, с точки зрения теории сложности вычислений под превосходством обычно подразумевается обеспечение суперполиномиального ускорения по сравнению с наиболее известным или возможным классическим алгоритмом.
ИТ-гигант IBM, обладающий на данным момент самым мощным суперкомпьютером IBM Summit (скорость вычислений 200 петафлопсов, емкость дискового пространства 250 петабайтов), поспешил достижение оспорить. Для практиков их спор мало что значит, поскольку квантовое превосходство определяется способностью квантового компьютера решить искусственно созданную задачу быстрее, чем это может сделать самый быстрый классический компьютер. То есть классическому компьютеру предложили промоделировать квантовый, и выяснилось, что он на это не способен.
«Квантовый компьютер — нишевой продукт, заменить классический он никогда не сможет. Но в перспективе будет востребован в тех сферах, где нужен большой объем вычислений. К таким задачам относится, например, моделирование физических процессов в сложных квантовых системах. Кроме того, логистика, размещение в пространстве, генетика, молекулярное моделирование, ускорение поиска глобального оптимума при анализе рынка. Для многих из этих задач есть попытка делать квантовые алгоритмы», — объясняет руководитель направления квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук Станислав Страупе.
Доступ к некоторым устройствам возможен в облаке. Площадка IBM Quantumexperience дает доступ как к симуляторам квантовых вычислений, работающих на классическом компьютере, так и к самим квантовым вычислителям, на которых можно проверить свои алгоритмы. Для этого только нужно зарегистрироваться на сайте концерна.
В России такого облачного сервиса пока нет, но в рамках реализации дорожной карты «Квантовые технологии», проектный офис которой возглавляет генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, через 3-4 года могут появиться и квантовый компьютер, и облачный сервис на его основе.
На данный момент серьезным недостатком квантового компьютера является его цена. И сами машины, и их эксплуатация стоят огромных денег. Достаточно сказать, что большую часть объема устройства занимает система охлаждения, позволяющая опустить температуру до 1/10 градуса выше абсолютного нуля, это холоднее, чем в космосе. Сами устройства уникальны, и над их технической разработкой и изготовлением трудятся большие коллективы ученых.
Однако разработка квантовых алгоритмов использует большей частью персональный компьютер и поэтому не отличается от другой подобной деятельности.
«Между классическими и квантовыми алгоритмами есть разница, нельзя просто перенести методы их создания с “классики” на кванты, — считает директор департамента развития технологических конкурсов и инициатив фонда “Сколково”, член Управляющего комитета технологических конкурсов UpGreat Вячеслав Гершов. — Это нужно уметь, и разработчики, владеющие навыками создания программ для квантовых компьютеров, получат конкурентное преимущество по мере развития “железа”. Но научиться создавать и кодить квантовые алгоритмы не rocket science, это можно уметь без погружения в квантовую физику».
Существует специальный компилятор/отладчик, позволяющий переложить код, написанный на абстрактном языке программирования, на конкретную машину. Понимание принципов работы и ограничений физического устройства поможет делать эту работу, но не является строго необходимым. Большинство систем используют в качестве языка высокого уровня Python и ему подобные, поэтому порог вхождения не так высок, как кажется. Институтам развития необходимо сосредоточиться на поддержке и стимулировании действующих ИТ-разработчиков — не только академических ученых, но и практикующих специалистов — в их стремлении осваивать технологии квантовых вычислений и продвигаться к созданию коммерчески успешных продуктов для решения конкретных практических задач. Это касается и стандартных практик государственной поддержки инноваций, и новых форм, как то: технологические конкурсы, нацеленные на преодоление глобальных технологических барьеров в данной области, для профессионалов или хакатоны для студентов и молодых специалистов.
«А вузам при подготовке ИТ-разработчиков уже сейчас необходимо учить их основным принципам работы квантовых компьютеров и создания программного обеспечения, чтобы получить быстродействие в целом спектре сложных трансвычислительных задач, обработке больших данных, предиктивной аналитике, моделировании квантовых систем и процессов и так далее. Тогда в будущем появится возможность для следующего большого шага — рождения квантового искусственного интеллекта, то есть искусственного интеллекта, мощным двигателем которого выступит квантовый вычислитель», — заключает Вячеслав Гершов.
Существует ли квантовый компьютер?
Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:
- D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
- IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
- Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
- В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
- В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.
В России создали прототип квантового компьютера
«Национальная квантовая лаборатория» сообщила о создании прототипа российского квантового компьютера.
По прогнозам, первый действующий российский образ появится через 10 лет
Ученые «Национальной квантовой лаборатории» смогли собрать платформу из 20 ионов, которые были захвачены электромагнитной ловушкой. Целью ученых было поймать и стабилизировать в электромагнитном поле несколько ионов при помощи ионной ловушки, которая была создана из набора заряженных электродов, образующих магнитное поле.
Теперь перед учеными стоит задача научиться использовать полученную платформу для проведения вычислений, но пока этого достить не получается. Но полученная система уже сейчас позволяет моделировать алгоритмы, которые в последствии могут стать частью первого российского квантового компьютера.
«Национальная квантовая лаборатория», которая была создана под руководством «Росатома» при участии ВШЭ, МИСиСа, МФТИ и других организаций, ожидает, что получиться создать полноценный квантовый процессор к концу 2024 года, а первый квантовый компьютер может появиться через десять лет. Уже сейчас российская квантовая индустрия отстает от других стран на 7-10 лет.
Какие разработки существуют?
Крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, а команды серьёзно конкурируют между собой. Квантовые процессоры есть у нескольких IT-гигантов. Не так давно к гонке подключился Гарвард.
В начале прошлого года компания Google заявила о создании 72-кубитного квантового компьютера, который на тот момент стал самой мощной вычислительной системой. Через год на ежегодной конференции CES другая компания – IBM – представила первый коммерческий квантовый компьютер Q SystemOne, который можно собрать где угодно и который не потребует специального технического обслуживания со стороны обученного персонала. Но компьютер кажется идеальным только на первый взгляд. Прежде всего нужно учитывать, что система IBM Q SystemOne не продаётся. Пока разработка доступна только для бизнес-пользователей и только через облачный сервис IBM.
В целом в разработке и создании квантового компьютера есть четыре главных игрока: Google, IBM в рамках проекта IBM Q Experience, Rigetti Computing и Alibaba (ведёт работу в рамках совместного проекта с Китайской академией наук). Взаимодействие учёных с существующими командами из IT-компаний позволяет ускорить сам процесс, но об успехах пока говорить рано.
