Фотограф: Лукас Шульце/Getty Images
Четыре десятилетия назад компьютерные инженеры предполагали, что с помощью квантовой физики можно создать новый тип компьютера, который будет в разы мощнее обычных машин. В результате целого ряда прорывов квантовые технологии стали реальностью, и инженеры демонстрируют компьютеры, способные выполнять вычисления такой сложности, которая поставила бы в тупик самые мощные суперкомпьютеры. Сейчас идет гонка за создание более крупных машин, способных точно воспроизводить сложнейшие явления реального мира, что обеспечит скачок в таких областях, как разработка лекарств, финансовое моделирование и искусственный интеллект.
1. Чем привлекательны квантовые компьютеры?
Они могут делать то, что не под силу обычным компьютерам. В апреле компания Google сообщила, что один из ее квантовых компьютеров за несколько секунд решил задачу, на которую самому мощному в мире суперкомпьютеру потребовалось бы 47 лет. Экспериментальным квантовым компьютерам обычно ставят задачи, на решение которых у обычного компьютера уйдет слишком много времени, например, моделирование взаимодействия сложных молекул для разработки лекарств. Однако их ключевое преимущество — способность моделировать сложные системы, состоящие из большого количества непостоянных элементов, которые меняются по мере их взаимодействия, например, предсказывать поведение финансовых рынков, оптимизировать цепочки поставок и управлять большими языковыми моделями, которые используются в генеративном искусственном интеллекте. Они вряд ли будут полезны в трудоемкой, но более простой работе, которую выполняют большинство современных компьютеров, — последовательной обработке ограниченного числа отдельных входных данных в массовом масштабе.
2. Кто их производит?
Канадская компания D-Wave Systems Inc. стала первой, кто стал продавать квантовые компьютеры для решения задач оптимизации в 2011 году. International Business Machines Corp., Alphabet Inc.'s Google, Amazon Web Services и многочисленные стартапы уже создали работающие квантовые компьютеры. Совсем недавно такие компании, как Microsoft Corp., добились прогресса в создании масштабируемых и практичных квантовых суперкомпьютеров. Корпорация Intel уже поставляет исследователям кремниевый квантовый чип с транзисторами, известными как кубиты (квантовые биты), которые в 1 миллион раз меньше, чем другие типы. Microsoft и другие компании, включая стартап Universal Quantum, рассчитывают выпустить квантовый суперкомпьютер в течение ближайших десяти лет. В Китае строится Национальная лаборатория квантовых информационных наук стоимостью 10 миллиардов долларов, что станет одним из важных этапов развития этой области.
3. Как работают квантовые компьютеры?
Как и традиционные компьютеры, они используют крошечные схемы для выполнения вычислений. Но они выполняют эти вычисления параллельно, а не последовательно, что и обеспечивает скорость их работы. Обычные компьютеры обрабатывают информацию в единицах, известных как биты, которые могут представлять одно из двух возможных состояний: 0 или 1, — что соответствует тому, открыта или закрыта часть компьютерного чипа, называемая логическим вентилем. Прежде чем традиционный компьютер перейдет к обработке следующей порции информации, он должен присвоить предыдущей порции значение. Напротив, благодаря вероятностному аспекту квантовой механики кубитам в квантовых компьютерах не нужно присваивать значение до тех пор, пока компьютер не завершит все вычисления. Это явление известно как "суперпозиция". Таким образом, если в обычном компьютере три бита могут представлять только одну из восьми возможностей: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111, — то квантовый компьютер с тремя кубитами может обрабатывать все из них одновременно. Теоретически квантовый компьютер с 4 кубитами может обрабатывать в 16 раз больше информации, чем обычный компьютер такого же размера, и его мощность будет удваиваться с каждым добавленным кубитом. Вот почему квантовый компьютер может обрабатывать значительно больше информации, чем классический компьютер.
4. Как он получает результат?
При проектировании обычного компьютера инженеры тратят много времени на то, чтобы состояние каждого бита не зависело от состояния всех остальных битов. Но кубиты связаны между собой, то есть свойства одного из них зависят от свойств окружающих его кубитов. Это преимущество, так как информация может передаваться между кубитами быстрее, пока они вместе работают над поиском решения. По мере выполнения квантового алгоритма противоречивые (а значит, неверные) результаты, генерируемые кубитами, аннулируют друг друга, в то время как совпадающие (а значит, достоверные) результаты множатся. Этот феномен, называемый когерентностью, позволяет компьютеру выдавать тот ответ, который он считает наиболее вероятным.
5. Как создать кубиты?
Теоретически для создания кубитов можно использовать все, что проявляет квантово-механические свойства, которыми можно управлять. IBM, D-Wave и Google используют крошечные петли из сверхпроводящей проволоки. Другие используют полупроводники, а некоторые — комбинацию того и другого. Некоторые ученые создают кубиты, используя захваченные ионы, импульсы фотонов или спин электронов. Многие из этих подходов требуют весьма нестандартных условий, например, температуры холоднее, чем в глубоком космосе.
6. Сколько нужно кубитов?
Много. Хотя кубиты могут обрабатывать в разы больше информации, чем классические биты, неопределенность, присущая им, приводит к возникновению ошибок. Ошибки вкрадываются в вычисления кубитов, когда их согласованность утрачивается. За пределами лаборатории ученым удавалось поддерживать когерентность кубитов лишь в течение долей секунды. В большинстве случаев это слишком короткий промежуток времени для выполнения целого алгоритма. Теоретики работают над созданием алгоритмов, способных исправить некоторые из этих ошибок. Но неизбежной частью этого процесса является добавление новых кубитов. По оценкам ученых, для успешного выполнения программ, пригодных для коммерческого использования, компьютеру нужны миллионы, если не миллиарды, кубитов. Соединить их вместе — вот главная задача. По мере увеличения размера компьютера он выделяет больше тепла, что повышает вероятность того, что кубиты утратят свою согласованность. Текущий рекорд по количеству соединенных кубитов составляет 1180 штук, его установила калифорнийская компания Atom Computing в октябре 2023 года. Это более чем в два раза превышает предыдущий рекорд — 433 штуки, установленный IBM в ноябре 2022 года.
7. Когда квантовые компьютеры станут доступны?
Это зависит от того, для чего вы хотите его использовать. Академики уже решают задачи на 100-гигабитных машинах с помощью облачной платформы IBM Quantum Platform, которую может опробовать и широкая публика (если вы знаете, как разрабатывать квантовый код). Ученые намерены создать так называемый "универсальный" квантовый компьютер, пригодный для коммерческого применения, в течение следующего десятилетия. Существует риск, связанный с уникальной способностью квантовых компьютеров решать задачи, — они могут взламывать классические системы шифрования. Возможно, лучшим свидетельством того, насколько мы близки к квантовым вычислениям, является то, что правительства подписывают директивы, а компании вкладывают миллионы долларов в защиту устаревших вычислительных систем от взлома квантовыми машинами.
Источник: @thebugged
