Почему так сложно создать квантовый компьютер? С белорусским физиком объясняем технологию будущего
Изобретению квантовых компьютеров частенько предсказывают прорыв, аналогичный прорывам при изобретении колеса, покорении огня или создании хорошо знакомых нам компьютеров. Но пока с этой задачей в полном масштабе никто справиться не сумел. В чем же основная загвоздка и зачем нам квантовые компьютеры? Сегодня Onliner.by объясняет суть компьютеров будущего, а помогает нам в этом заместитель заведующего Центром квантовой оптики и информатики Института физики НАН Беларуси член-корреспондент Дмитрий Могилевцев.
Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.
— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.
Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?
В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.
Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.
Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.
— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.
А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.
Что такое квантовый компьютер?
Если говорить коротко, в классических компьютерах для хранения информации используются биты. А в квантовых компьютерах для этого используются так называемые кубиты, которые вмещают в себя гораздо больше данных. Именно поэтому считается, что квантовые компьютеры потенциально гораздо мощнее, чем классические. Только вот на данный момент ученые не умеют управлять большим количеством кубитов и в квантовых компьютерах их насчитывается всего лишь несколько десятков. А вот в обычных компьютерах количество оперативной памяти составляет несколько гигабайт, то есть десятки миллиардов (!) битов.
На данный момент квантовые компьютеры выглядят примерно так
Квантовый процессор – это ядро компьютера
Создание кубитов – сложная задача. Требуется низкотемпературная среда для поддержания стабильного состояния кубита в течение любого отрезка времени. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля (около минус 272 по Цельсию). Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях.
Внутренности квантового компьютера выглядят как роскошная золотая люстра. И да, многие комплектующие сделаны из настоящего золота. Это дорогущий холодильник, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации.
Квантовый компьютер создаёт эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, доступными для управления. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке.
Практика
К числу таких задач, в частности, относятся:
— поиск в массивах неструктурированных данных (радикальное ускорение обработки больших данных);
— разложение чисел на простые множители (алгоритм Шора, важен для преодоления криптозащиты данных — квантовый компьютер за секунды способен сделать то, на что у суперкомпьютера уйдут миллиарды лет);
— быстрое генерирование последовательности подлинно случайных чисел (практическое применение — одноразовые ключи для гарантированно защищенной передачи данных по открытому каналу связи; очевидно, о решении именно этой задачи и сообщил Google);
— моделирование квантовых систем — молекул и материалов (практическое применение — фармакология, средства защиты от биологического оружия), причем для решения таких задач достаточен «маломощный» квантовый компьютер с регистром до 100 кубит.
Но пока это лишь теоретические возможности. Физическая реализация квантовых компьютеров находится в стадии исследований и экспериментов, а развитие алгоритмов квантовых вычислений обеспечивается имитацией квантовых компьютеров с помощью устройств, лишенных квантовой природы.
Программное обеспечение квантовых вычислений — системы программирования и отладки программ — только предстоит создать. Это нетривиальная задача. Она не решена даже для традиционных суперкомпьютеров, мощность которых эффективно используется только для ограниченного круга задач.
Все решения уже известны
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию
Как работает квантовый компьютер
Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.
Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление
Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.
Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q# и симулятор квантовых вычислений. Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании.
Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:
-
(разложения числа на простые множители) (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных) (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)
Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.
Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.
Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.
Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).
Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.
История идеи
Идею квантовых вычислительных устройств впервые высказал в 1980 году советский математик Юрий Манин. В книге «Вычислимое и невычислимое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи биологической информации с молекул ДНК, он заметил, что для моделирования этого процесса могли бы подойти квантовые устройства. Здесь же Манин указал указал на главное их преимущество — рост числа состояний таких устройств идет по степенному закону:
Годом позже, в мае 1981 года, идею квантового компьютера сформулировал физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман в докладе, посвященном возможности моделирования физических процессов.
Ученый подчеркнул, что все явления подчиняются квантовым законам (а классическая физика — только приближение). Если поведение одиночного квантового объекта достаточно легко поддается моделированию с помощью компьютера, то нарастание количества элементов ведет к экспоненциальному росту сложности вычислений.
Из этого следовало два выхода, говорил Фейнман: первый — признать, что квантовые системы не поддаются моделированию с помощью компьютеров, и второй — построить вычислительную машину из квантовых элементов, подчиняющихся тем же квантовым законам, что и моделируемая система.
В своем докладе Фейнман впервые сформулировал понятие квантового симулятора — квантовой системы, воспроизводящей поведение какой-то другой квантовой системы, а также универсального квантового компьютера — такой квантовой системы, которую можно перенастроить (перепрограммировать) так, чтобы она была способна моделировать поведение многих других систем.
Наконец, Фейнман также впервые описал пример работы системы из кубитов, созданных из фотонов с определенной поляризацией.
Работа одного из элементов квантового компьютера в представлении Фейнмана
В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета разработал теорию универсального квантового компьютера как квантовой машины Тьюринга.
Однако первый в мире квантовый компьютер мог появиться намного раньше, еще до статей Манина и Фейнмана, в 1950-е годы. Тогда японский ученый Гото Эйичи экспериментировал с низкотемпературной электроникой для разработки миниатюрного магнитно-управляемого бита, то есть системы, способной находиться в двух состояниях и служить, как и обычный полупроводниковый транзистор, основным элементом компьютера.
Эйичи назвал свой бит параметроном, и его первый прототип был создан в 1958 году в Токийском университете. Ниже представлен схематический чертеж оригинального устройства Гото.
Гото Эйичи и его команда повысить энергетический барьер между двумя состояниями битов, чтобы их гарантированно можно было различить. Иначе говоря, японские ученые хотели, чтобы устройство ни в коем случае не оказывалось в бистабильном состоянии, то есть в состоянии квантовой суперпозиции.
Такое состояние рассматривалось ими как нечто, вызывающее неуправляемый и нежелательный шум, в то время как квантовые эффекты могли дать им принципиально новый метод вычислений. Если бы не стремление японских специалистов к избавлению от ошибок, квантовые симуляторы, возможно, появились бы на полвека раньше.
Бег за лидерами
— Конкуренция в «квантовом» мире жесткая или жестокая?
— Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.
— Честно? Как создать 100-кубитный прототип квантового компьютера к 2024 году — мы понимаем. А вот как выйти в лидеры в этой области — пока нет.
— Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.
— Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого «Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот. «
