Квантовые компьютеры – объясняем, чем отличаются от классической вычислительной техники
Квантовые компьютеры – очень сложная тема, но мы постараемся изложить её как можно проще. Даже сегодня ученые, физики и инженеры обсуждают такой, казалось бы, простой вопрос, есть ли где-нибудь в мире работающий квантовый компьютер. «Но, почему же, такие компании, как IBM, давно хвастаются квантовыми компьютерами!» – может сказать кто-то. И он будет прав. Остаётся открытым вопрос, создала ли IBM квантовый компьютер или «квантовый компьютер».
Доктор Шохини Гхос, квантовый физик и президент Канадского общества физиков, использовал простую аллегорию для сравнения классических компьютеров (таких как наши ПК, ноутбуки и смартфоны) с квантовыми компьютерами. Если наши классические компьютеры – это свечи, то квантовые компьютеры – это лампочки. Их цель одинакова – излучать свет, а у компьютеров – выполнять вычисления. Однако, в обоих случаях цель достигается по-разному.
Гхош выражает это словами:
Квантовый компьютер – это не просто усовершенствованная версия современных компьютеров, точно так же, как лампочка – это не более сильная свеча. Вы не сможете получить лампочку, делая всё более мощные свечи. Лампочка – это другая технология, основанная на более глубоком научном понимании. Точно так же квантовый компьютер – это новый тип устройства, основанный на квантовой физике, и точно так же, как лампочка изменила общество, квантовые компьютеры могут повлиять на многие аспекты нашей жизни, включая потребности в безопасности, здравоохранении и даже сети Интернет.
Сегодня мы знаем некоторые теоретические основы работы квантовых компьютеров, но на пути их развития есть огромные препятствия, которые ждут своего решения.
Исследовательские центры и компании со всего мира проводят испытания и исследования, и специалисты в области квантовой физики согласны с тем, что пройдут десятилетия с момента создания полнофункциональных квантовых машин, прежде чем мы сможем использовать их для «повседневных задач».
По этой причине, некоторые ученые, такие как физик Артур Экерт, заявляют, что машины, которые в настоящее время называются квантовыми компьютерами, вообще не заслуживают такого названия:
Я бы сейчас не называл их квантовыми компьютерами. Им не хватает способности выполнять вычисления или решать задачи, которые мы не можем решить обычным, классическим способом. (. )
Мы еще не достигли той точки нашего технологического развития, когда мы можем построить квантовую машину, способную решать проблемы, которую будет трудно решить для классических компьютеров. Конечно, Google или IBM говорят о тех или иных проблемах, которые было бы сложно решить классическим способом, но на данный момент они неубедительны.
Почему создание суперкомпьютеров может оказаться под угрозой?
Квантовый компьютер — чрезвычайно полезное изобретение при создании искусственного интеллекта будущего, новых методов криптографии и даже новых типов аккумуляторных батарей. Несмотря на всю универсальность своего применения, устройство может так никогда и не заработать в полную силу. К столь мало обнадеживающим выводам пришел французский исследователь Мишель Дьяконов, который на протяжении многих лет работал над реализацией квантовых вычислений. Ученый считает, что из-за неизбежности случайных ошибок в аппаратном обеспечении устройства, по-настоящему полезные квантовые компьютеры вряд ли когда-либо будут построены.
Для того, чтобы понять, почему создание суперкомпьютеров нового поколения может оказаться под угрозой, нам прежде всего следует разобраться в принципах работы данного вычислительного устройства. Согласно статье, опубликованной на портале theconversation.com, современные компьютеры работают на принципе двоичного кода при хранении данных, в то время как уже созданные квантовые устройства используют систему квантовых битов или кубитов.
Кубиты обладают особыми свойствами: они могут существовать в суперпозиции, являясь одновременно и нулем, и единицей, при этом будучи запутанными между собой даже в том случае, если они находятся на значительном расстоянии друг от друга. Столь необычное поведение не связывается с миром классической физики, так как суперпозиция мгновенно исчезает тогда, когда экспериментатор взаимодействует с квантовым состоянием.
Благодаря суперпозиции, квантовый компьютер со 100 кубитами может одновременно представлять 2100 решений. Для некоторых задач этот экспоненциальный параллелизм может быть использован для создания огромного преимущества в скорости вычислений. Вместе с тем, существует и другой, более узкий подход к квантовым вычислениям, при котором кубиты используются для ускорения задач оптимизации. Так, компания D-Wave Systems, базирующаяся в Канаде, построила системы оптимизации, которые используют кубиты именно для этой цели, хотя некоторые критики утверждают, что полученные в результате системы работают не лучше классических компьютеров.
Квантовые компьютеры компании D-Wave Systems
Несмотря на это, компании и страны вкладывают огромные суммы денег в квантовые вычисления. Известно, что Китай построил новый центр квантовых исследований стоимостью 10 миллиардов долларов США, а Европейский Союз разработал генеральный план квантовых исследований на сумму 1 миллиард евро или 1,1 миллиарда долларов. Новый закон о национальной квантовой инициативе Соединенных Штатов предусматривает выделение 1,2 млрд. долларов США на развитие квантовой информатики в течение пятилетнего периода.
Возможность взлома алгоритмов шифрования является мощным мотивирующим фактором для многих стран мира. Так, знание систем шифрования противника могло бы дать огромное преимущество в разведке, одновременно с этим способствуя проведению новых фундаментальных исследований в области физики, так как современные экспериментальные системы имеют в своем распоряжении лишь менее 100 кубитов. Для достижения полезной вычислительной производительности суперкомпьютера нам, вероятно, понадобятся машины с сотнями тысяч кубитов. Для того, чтобы устройства функционировали правильно, они должны исправлять все мелкие случайные ошибки в программном обеспечении. В квантовом компьютере такие ошибки возникают из-за неидеальных элементов схемы и взаимодействия кубитов с окружающей их средой. По этим причинам кубиты могут потерять когерентность буквально за долю секунды, что может привести к ошибочным результатам работы компьютера.
Иными словами, хотя квантовые суперкомпьютеры и имеют право на существование, правильность их вычислений может попасть под большой вопрос. А как считаете вы, сможет ли человек однажды подчинить себе квантовые технологии? Поделитесь своим мнением с единомышленниками в нашем официальном Telegram-чате.
Контролируемые кубиты
Intel в январе 2018 года объявила о поставке тестового квантового процессора с 49 кубитами под названием Tangle Lake. Но более интересна работа другого подразделения компании, которое пытается разработать кубиты из традиционного кремния. Толщина таких кубитов составляет всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это открывает возможности для производства крошечных квантовых процессоров с миллионами кубитов, которые можно охлаждать почти до абсолютного нуля. Кстати, компания работает и над этим. Инженеры Intel совместно с компанией QuTech разрабатывают систему контроля «горячих» кубитов с температурой чуть больше –272,15ºC. Кроме того, Intel в 2019 году показала контроллер кубитов Horse Ridge, который может работать даже при очень низких температурах и выдерживает охлаждение до −269 ºC. Horse Ridge в будущем поможет масштабировать многокубитовые квантовые системы.
Что означает формулировка «квантовое превосходство»?
Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.
В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.
Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».
Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.
Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.
Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.
В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.
Когда квантовые компьютеры появятся в магазинах
Скорее всего никогда. В основном они будут использоваться учеными и предприятиями, которые, вероятно, будут иметь к ним удаленный доступ. Это сложнейшая технология в освоении и производстве, поэтому серийное производство не рассматривается.
Фото: habr.com
Теперь самая сочная компания
D-Wave, компания основана в 1999 году и является лидером в разработке и поставке систем, программного обеспечения и услуг для квантовых вычислений и является первым в мире коммерческим поставщиком квантовых компьютеров. Системы D-Wave используются некоторыми из самых передовых в мире организаций, включая Lockheed Martin, Google, NASA Ames, Volkswagen, DENSO, USRA, USC, Лос-Аламосскую национальную лабораторию. D-Wave получили более 160 патентов США. D-Wave разработала и выпустила четыре поколения квантовых систем и уже подписала контрактов на 75 млн долл на поставку своих систем. Из свежих новостей это сотрудничество с Японией и анонс новой системы в 5 раз мощнее предыдущих. Если кто знает как инвестировать в эту компанию — поделитесь инфой, потому что я не нашел способов(ни ОТС акций, ни раундов финансирования).
Rigetti — компания, специализирующаяся на квантовых вычислениях с полным стеком. Этот термин означает, что компания разрабатывает и производит квантовые чипы, интегрирует их с управляющей архитектурой и разрабатывает программное обеспечение для программистов, которое можно использовать для создания алгоритмов для чипов.
Компания имеет платформу для облачных вычислений под названием Forest, которая предоставляет разработчикам доступ к квантовым процессорам, чтобы они могли писать квантовые алгоритмы для целей тестирования.
Основатель X-Prize Питер Диамандис признал компанию одним из трех лидеров в области квантовых вычислений наряду с IBM и Google .MIT Technology Review назвал компанию одной из 50 самых “умных” компаний 2017 года.
На этом закончим обзор компаний. Два “горячих пирожка” в индустрии квантовых сетей это D-Wave и Rigetti пока что не торгуются как публичные акции. Топовые мировые IT-гиганты активно развивают новые направления и уже могут похвастаться первыми рабочими продуктами. Нам остается ждать новый виток технологической революции и время от времени ресерчить новые компании в данной индустрии
