Квантовые технологии. Модуль 4
• как и из чего создают составные элементы квантовых компьютеров — кубиты;
• какие преимущества и недостатки есть у разных типов квантовых систем;
• как устроены и как создают самый распространенный тип кубитов — сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона;
• о конкретных попытках создания квантовых вычислительных устройств;
• о путях преодоления ошибок в квантовых устройствах.
Элементы квантовых компьютеров — кубиты — могут представлять собой самые разные объекты: холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке, но самым популярным и перспективным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Их использует для своих симуляторов компания D-Wave, на них основаны процессоры IBM и Intel.
Однако пока существующие квантовые вычислители — либо симуляторы, способные решать только одну задачу, либо экспериментальные компьютеры с небольшим количеством кубитов. Ни те, ни другие еще не способны показать результаты, однозначно свидетельствующие о том, что удалось достичь квантового превосходства, — рубежа, где квантовые компьютеры покажут, что им под силу задачи, которые либо вовсе недоступны для обычных компьютеров, либо требуют значительно больших ресурсов. Главное препятствие — декогеренция, потеря кубитами квантового состояния, и неизбежные вследствие этого ошибки.
Как работает «детский» квантовый компьютер
Рабочее вещество квантовой системы SpinQ – это диметилфосфит (dimethylphosphite). Оно представляет собой тетраэдрическую молекулу, в состав которой входят по одному атому фосфора, водорода кислорода, а также две группы CH3O. При комнатной температуре это вещество принимает форму бесцветной жидкости.
По утверждению, Discover Magazine, диметилфосфит идеален для использования в небольших квантовых компьютерах, потому что атомы фосфора и водорода связаны друг с другом и достаточно близки, чтобы взаимодействовать, плюс ими также можно управлять независимо друг от друга.
Специалисты SpinQ поместили несколько капель диметилфосфита в жидком виде в небольшую герметичную емкость, а ее саму разместили в центре магнитного поля. Притом, в отличие от квантовых компьютеров 30-летней давности, в новинке SpinQ не используются сверхпроводящие магниты, поскольку для отвода от них тепла пришлось бы строить гигантскую систему охлаждения. В этом суперкомпьютере разработчики отдали предпочтение постоянным магнитам, способным создавать магнитное поле силой до 1 тесла.
Для квантовых вычислений магнитное поле должно быть очень равномерным. Для выполнения этого условия команда использовала метод, называемый «шиммингом» (shimming), который генерирует другое магнитное поле, способное нейтрализовать любые неоднородности в более сильном поле.
В использовании диметилфосфита и мощных постоянных магнитов и заключается секрет миниатюрности и дешевизны нового квантового компьютера SpinQ. Для управления спинами (кубитами) его необходимо подключить к обычному ПК с установленным на него специализированным ПО.
Несмотря на то, что устройство SpinQ обрабатывает только два кубита, оно способно выполнять ряд типичных квантовых вычислений. Например, оно может реализовать версию алгоритма Гровера, который может выполнять поиск в базе данных быстрее, чем классический поисковый алгоритм.
Что такое квантовое преимущество?
Квантовые компьютеры в будущем действительно могут заменить собой обычные, но на данный момент они далеки от совершенства. Однако, даже имея при себе всего лишь несколько кубитов, некоторые задачи они решают в тысячи раз быстрее даже самых мощных компьютеров. Такие достижения называются квантовым преимуществом и в 2019 году таким успехом поделилась компания Google. Разработанный ею квантовый компьютер Sycamore решила одну сложную задачу за 3 минуты. А для суперкомпьютера Summit для этого потребовалось бы более 10 000 лет. Но скептики отметили, что при правильной настройке компьютер Summit справился с задачей за несколько дней. Так что факт достижения квантового превосходства компанией Google до сих пор подвергается сомнению.
Квантовый компьютер Sycamore
Интересный факт: изначально упомянутый выше термин звучал как «квантовое превосходство». Но потом это словосочетание сочли неполиткорректным и заменили на «квантовое преимущество».
Дешевые системы
В 2020 году специалист по квантовой физике Алессандро Бруно и выпускник технологического университета TU Delft Маттейс Райлаарсдам основали компанию QuantWare. Она занялась выпуском общедоступных 5-кубитных чипов. Они могут работать с современными электронными устройствами, но лишь в условиях сверхнизких температур.
А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology в 2021 году представил квантовый компьютер стоимостью всего около $ 5 тысяч. По размеру он почти такой же, как системный блок обычного ПК.
Система разработана для школ и колледжей и умеет оперировать только двумя кубитами. Поставки первых SpinQ уже идут в Тайвань, Гонконг и Осло. Разработчики надеются, что системы позволят ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей.
Нейронаука
Нейроморфные компьютеры, лечение зависимости микрочипами и нейромодуляция эмоций
Пока появление квантовых компьютеров остается отдаленной перспективой, ученые тратят много сил на усовершенствование «обычных» компьютеров. Эксперты предсказывают, что в следующее десятилетие мы увидим бум новых компьютерных архитектур, и одним из наиболее многообещающих направлений считаются нейроморфные компьютеры .
Разработчики вдохновляются устройством человеческого мозга и используют для их создания системы глубинного обучения. Нейроморфные системы будут лучше анализировать неструктурированную информацию, что сможет приблизить человечество к созданию сильного ИИ (AGI) — то есть ИИ, способного мыслить и осознавать себя (именно таким ИИ любят воображать научные фантасты).
В этой сфере особо выделяются китайские ученые из Университета Цинхуа (альма-матер генсека Си Цзиньпина): они первыми представили модель «нейроморфной завершенности» (то есть рабочую модель нейроморфного компьютера) в нескольких статьях для журнала Nature. Они также создали работающий по принципу биологических нейронных сетей чип Tianjic, который уже сейчас можно встраивать в автономные велосипеды.
Но еще интереснее китайские разработки в сфере исследований человеческого мозга. Запад наслышан о нейроимплантах (мозговых компьютерах) компании Neuralink Илона Маска. Но пока Маск экспериментирует на свиньях и обезьянах, в Китае не первый год проходят испытания по взаимодействию нейроимплантов с мозгами реальных людей.
В начале 2000-х годов китайские ученые проводили эксперименты на наркозависимых крысах и макаках-резусах — операции на мозгах этих животных приводили к заметному уменьшению зависимости.
В 2004 году китайские нейрохирурги провели не меньше 1000 операций на мозгах страдающих опиоидной зависимостью людей. В целом эксперимент считался успешным, так как привел к уменьшению рецидивов у прооперированных наркозависимых, и только у некоторых из них выявили ощутимые побочные эффекты.
А уже в 2010-х китайские ученые от простых операций перешли к техникам нейромодуляции — усилению или подавлению мозговой активности с помощью вживленных в мозг устройств. В 2019-м мир узнал историю Яна — 33-летнего мужчины с зависимостью от метамфетамина. В нейроклинику его привел отец, поставивший ультиматум: или опять на реабилитацию, или к нейрохирургам. Ян выбрал нейрохирургов и глубокую стимуляцию мозга — ему просверлили череп в двух местах, вживили в мозг электроды и вшили в грудную клетку батарейный блок питания для мозговых электродов.
Теперь доктор может управлять активностью вживленных в мозг Яна электродов с помощью приложения на планшете. «Эта машина — чистая магия», — говорит Ян. — «Доктор велит ей сделать тебя счастливым, и ты чувствуешь счастье, или сделать тебя нервным — и ты нервничаешь. Она контролирует твое счастье, злость, скорбь и радость».
Аналогичную операцию в ближайшем будущем будет делать и Neuralink, разве что батарейный блок в грудь вшивать не станут. Нейроимпланты, пожалуй, самая прорывная потребительская технология ближайшего будущего. И пока Маск дойдет до потребителя, благодаря поддержке правительства китайские ученые могут серьезно вырваться вперед.
Что известно?
Исследователи построили 66-кубитный квантовый компьютер. Используя две различные технологические парадигмы, фотонную и сверхпроводящую, они смогли запустить определенные алгоритмы в масштабе, который, предположительно, был бы слишком сложным для классического компьютера.
Для сравнения, система Sycamore от Google — это 53-кубитная система, и, по словам китайской исследовательской группы, она может использовать только сверхпроводящую парадигму.
Прогноз развития квантовых компьютеров
Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems. Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко.
Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости.
Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров? На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений. Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем.
Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм. Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий! Так почему бы и квантовому компьютеру не обернуться в ближайшие десятилетия приятной повседневностью, открывающей перед нами новые захватывающие горизонты?
Почему суперкомпьютер тугодум по сравнению с квантовым
Эйнштейн вашу аналогию, думаю, оценил бы. Но все же, чем квантовый компьютер принципиально отличается от традиционного? Они работают по разным законам?
Алексей Федоров: Да, по разным. Проиллюстрировать это можно так. В классическом компьютере бит реализуется в транзисторном переключателе, у которого только два положения — «включен» и «выключен», то есть либо «0», либо «1». Из миллионов, а уже и миллиардов таких «рубильников» собирают процессор. Квантовый «рубильник», благодаря законам квантовой физики, живет одновременно и в двух состояниях, «0» и «1», и во всех их комбинациях. Это позволяет квантовому компьютеру во много раз быстрее решать определенные задачи за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций.
Если мы будем штамповать то, что кем-то придумано, будем плестись в хвосте. Надо перепрыгнуть через рубежи, которые проходили конкуренты
Читал про такую задачу: надо 100 гостей рассадить по двум столам так, чтобы найти один единственный вариант, который устроит всех. Для перебора всех вариантов суперкомпьютеру, который выполняет триллионы операций в секунду, потребовалось бы несколько тысяч лет, а квантовому — минуты. Словом, самый мощный суперкомпьютер на фоне квантового смотрится почти калькулятором. Но о феноменальных способностях «кванта» говорят уже лет 40, однако о кардинальных прорывах почти не слышно. Более того, за эти годы сформировалась группировка скептиков, которые утверждают, что квантовый компьютер вообще никогда не будет создан. Что он останется игрушкой в руках тех, кто морочит публике голову обещаниями чудес, умело выбивая огромные деньги. Словом, удовлетворяют свое любопытство за чужой счет.
Алексей Федоров: Сначала о прорывах. Могу сказать, что они происходят. Например, несколько групп в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства. Что это такое? Квантовые компьютеры, собранные из нескольких десятков кубитов, за пару минут справились с задачами-тестами, на которые у суперкомпьютеров ушло бы тысячи лет. Правда, надо подчеркнуть, что пока речь идет только об абстрактных тестах, которые не связаны с реальными прикладными задачами. Для решения практических задач, как мы полагаем, нужны квантовые процессоры из многих сотен, тысяч и даже миллионов кубитов.
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.
