„Класическият компютър ще разложи число на 2048 бита за 1 000 000 000 000 години. Квантов компютър - за 10 секунди"
—
— Създаването на квантов компютър е един отфундаментални проблеми на физиката на XXI век. Миналата седмица дори Нобеловата награда беше дадена на физици за демонстриране на квантовото заплитане, принципът зад квантовите компютри. Ако знаете за закона на Мур (броят на транзисторите на чипа с интегрална схема се удвоява на всеки две години - бел. ред.), то през последните години той престана да се изпълнява и дори производителите на микропроцесори се отдалечиха от такова нещо като технически процес. Нанометрите, за които всички говорят сега, са по-скоро маркетингови неща.
Сега има нов клон на развитие в литографията -екстремно ултравиолетово, където светят при дължина на вълната 13,5 nm. Това е рекордна дължина на вълната, която може да се получи стабилно и да направи чипове в границата от 2-3 nm, намалявайки границата на дифракция с различни оптични трикове. Но какво да правим след това, не е ясно. Възможна е задънена улица при намаляването на транзисторите на хоризонта от 5-10 години.
Данила Шапошников
Тук може да помогне фундаменталната разлика.квантово и класическо изчисление. Класическите са последователни, а квантовите естествено ви позволяват да правите напълно паралелни изчисления. Тоест, всеки квантов бит може да изчислява паралелно с другите квантови битове на системата. В този случай битът може да има няколко състояния едновременно - да бъде едновременно нула и единица. Или дори многостепенна система, но мейнстриймът сега е кюбит, той има две нива. Изчислителната мощност нараства експоненциално с добавянето на кубити към системата (2n). И в обичайната система тя расте квадратично (n2).
Съвременната наука е в етап на разбиране,какво е квантовата механика. Всички закони на частиците, взаимодействието на атомите един с друг се описват от законите на квантовата механика. Тази наука е различна от предишната. Например в квантовата механика съществува принципът на суперпозицията, поради който размерността на пространството на състоянията нараства експоненциално.
Един класически компютър просто не може да го направи.симулира. Самият квантов компютър е изграден върху такива явления и може да работи с такива системи. Освен това в квантово-механичната система има вероятностни амплитуди с комплексни числа - обикновените компютри нямат това.
Ако вземем проблема за разширяване на някакво число в2048 бита, тогава класическият алгоритъм ще го разложи на хиляда стъпки и след 1 000 000 000 000 години. И алгоритъмът на Шор, ако имаше квантов компютър с точния брой кубити, щеше да го направи в 107 стъпки – около 10 секунди. Засега няма такива квантови компютри, но такива, които вече са в състояние да направят това, което на един класически компютър би отнело огромно количество време.
- Ще оправдаят ли квантовите компютри надеждите, които вече им се възлагат?
Нека първо разберем какво е необходимо, за да създадем квантов компютър. Физикът Дейвид ди Винченцо правилно формулира пет основни критерия:
- Определете какво е кюбит. Те са различни, днес има няколко известни платформи - върху атоми, йони, свръхпроводници, фотони.
- Да може да въвежда кюбит в суперпозиция.Разберете как да накарате кюбит да бъде нула и едно едновременно. Във всяка от платформите въвеждането в суперпозицията е отделна задача и това може да се направи чрез различни физически принципи.
- Необходимо е да се създадат кубити и квантово заплитане между тях, за да могат да се контролират, да се изграждат порти на тяхна основа.
- Поддържайте това кохерентно състояние възможно най-дълго.
- Направете измервания на нашия квантов компютър.
Зад всяко от тези явления има много инженерствотрудности. Например, ако измерите кубит, неговото състояние ще се промени и той не може да бъде клониран. Или шумът, електромагнитните вълни, частиците имат лош ефект върху системата, така че повечето платформи охлаждат цялата система до ниски температури, за да минимизират въздействието на шума и праха. Но работата в криогениката е много по-трудна. Всичко това усложнява създаването на квантови компютри, така че сега има максимум около 130 кубита. Например IBM пусна 128-кубитова система.
Има много инженерни сложности зад всяка стъпка в разработването на квантов компютър.
Но има не само физически, но и логическикубити. Каква е разликата? Точността на квантовите изчисления трябва да бъде около 99,9999999999999% - тогава я считаме за много висока. Но днес той се движи от 90 до 99%, това са много ниски параметри, трудно е да се изчисли точно с тяхна помощ, процентът на грешки ще бъде висок. За да постигнат желаното ниво, те правят логически кубити, тоест правят един логически кубит от голям брой физически кубити, програмират протоколи за коригиране на грешки, алгоритъм върху него и се оказва, че това е един кубит с висока точност процент.
Следователно, ако се върнем към физическите кубити,от които трябва да се направи квантов компютър - индустрията е на ранен етап, приблизително на ниво десет логически кубита. През следващите години очакваме да бъде постигнато ниво от сто логически кубита. Това вече ще даде възможност да се правят интересни неща - оптимизация на маршрута, клинични тестове, синтетично създаване на клинични данни, проксимация на квантови симулации, оптимизация на финансови портфейли. За сравнение, за да разбиете RSA алгоритми, имате нужда от около хиляда логически кубита.
Тук трябва да направим малко отклонение иДа кажем, че днес в квантовите изчисления има още една поредна трудност - докато не бъде изобретена квантовата памет. Следователно през следващите 10 години квантовите изчисления ще работят заедно с класическите компютри.
Стратегическата дългосрочна цел е създаването на универсален квантов компютър. Това изисква повече от 10 000 логически кубита, надежден контрол на мулти-кубитови портове и квантова памет.
Какво ще променят квантовите компютри?
— Те могат да решат огромен набор от проблеми— например за бионауки. В момента не можем да моделираме дори умерено сложни молекулни съединения. Ето защо учените правят синтетични молекули и непрекъснато експериментират. Симулациите са силно ограничени от размера на молекулярните системи и параметрите на точност. Поради това са необходими десет години, за да се създаде ново лекарство. А квантов компютър, който може да симулира квантово-механична система, радикално ще ускори процеса.
Или сега се опитват да направят протеиново сгъванеРентгенови лъчи, хитри магнитни резонанси. И ако има квантов компютър, той ще може да симулира тази система и ние ще опростим живота си в създаването на лекарства. Развитието на нови материали за космически полети, двигатели и свръхпроводящи системи също ще се ускори. Ще има нови електролити за батерии, които от 20 години са на ниво 200-250 Wh на килограм като енергийна плътност на маса. Не можем да се справим по-добре, защото все още не моделираме добре.
Невъзможно е дори да се изброи всичко в едно интервютези приложения на квантовите компютри, които могат да се измислят. Дори ако може просто да ускори няколко процеса на важни операции (като преобразуването на Фурие), това вече ще бъде сериозен напредък. И това е само една стъпка към създаването на универсален квантов компютър. Ето защо има такъв шум.
— Но те могат да се използват само в рамките на науката?
- Не, при всякакъв вид оптимизация - например, когато се използва теория на графите. Те вече се използват за оптимизиране на финансови портфейли, маршрути и оптимизиране на AI алгоритми.
„Кюбитите са добри, но това не означава скоростта и точността на изчислението“
- Има ли други проблеми, които не е ясно как да се решат? Какво може да спре прогреса?
- Основният е създаването на кубити в голямномер и тяхното обвързване, живота на цялата система. Например, ако животът на системата е 0,001 секунди, тогава може да нямате време да изчислите нещо важно. Трябва да помислим как да поддържаме качеството на изчисленията и да ги мащабираме.
Да вземем компанията IonQ – те инвестираха в неяуважавани инвестиционни фондове от цял свят, дори стана публична. Те правят системи с йони и проблемът е, че има капани за йони, но има ограничение за броя на йоните, които могат да бъдат уловени. И трябва да измислим механизъм за свързване на капани един с друг. Все още има големи проблеми с това - силно пречи на мащабирането на системата. Други платформи имат подобни сериозни проблеми.
Все още има проблеми с оборудването - понякога подквантовите компютри трябва да измислят нови устройства. Например специална оптика, лазери, вакуумно оборудване, криогенни камери. Има много проблеми, но това е пътят на развитие - микроелектрониката вече го е изминала. Това е нормално: индустрията се адаптира към всеки нов процес и изобретява нови проводими метали и други открития. Просто цялата система е все още в ранна фаза на зрялост.
Основният проблем при създаването на квантови компютри е създаването на големи количества кубити и тяхното свързване, продължителността на живота на цялата система
- Като неспециалисти, които се интересуватквантови компютри, за да разберем дали едно ново откритие наистина е крачка напред за тази индустрия или поредната новина в името на кликовете? На какво да обърнете внимание? Например, броят на кубитите индикатор ли е?
- По-добре е да се опитате да го разберете на повечедълбоко ниво. Ако изобщо не разбирате, тези бенчмаркове много повърхностно ще разкрият същността на напредъка и понякога дори ще ви подведат. Както например с броя на кубитите - всъщност това е добре, но не казва колко може да изчисли системата и с каква точност.
За мен са важни броят на взаимосвързаните логически кубити, точността на изчислението, продължителността на живота на системата и способността за изчисляване на практически алгоритми.
— Развитието на квантовите компютри е дълго време,скъпо и трудно. Следователно изглежда, че много ограничен брой организации правят това. Това означава ли, че подобни устройства ще работят само в полза на корпорации и държави?
- Тези, които направиха повече или по-малко работеща машина,обикновено отворен за него облачен достъп. И можете да напишете свои собствени квантови схеми и да изчислявате алгоритми. Всеки разработчик се интересува от увеличаване на броя на практическите задачи, които могат да бъдат изпълнени на техния квантов компютър, така че цената е намалена.
Въз основа на броя на инвестициите в сектора, които човек може да направиизводът е, че има напредък. Това е косвен параметър – ако инвестират стотици инвеститори и индустрията расте, това говори много. И от 2019 г. броят на инвестициите нараства - от 300 милиона долара до 2,3 милиарда долара, очевидно сме близо до решения, които ще станат практични.
Но в същото време има само 80 организации, коитоправят квантови компютри. Но цифрите сочат, че в хардуер са инвестирани 1,5 млрд. От тях 12 компании са взели лъвския пай. Тук са необходими специалисти по квантова физика, математика, много се търсят инженери. Интересен факт: съветската школа се счита за силна тук. Разговаряхме с много от 260-те активни фирми в тази сфера – 20% от тях имат руски инженери, физици или математици.
„Броят на кубитите не казва колко може да изчисли системата и с каква точност“
„Руските учени изостават с 3-5 години от световните“
— А какво ще кажете за квантовите технологии в Русия?
- Не точно.Русия има програма и пътна карта за развитие на квантовите технологии с бюджет от около $1 милиард до 2024 г. Програмата е разделена на няколко пътни карти - квантови изчисления (контролирани от Росатом), комуникации (Руските железници и Центъра по метрология) и сензори (Ростех). Gazprombank също е в цялата тази игра, защото те са основният инвеститор в квантовия център. Например, вече се появи специална квантова комуникационна линия между Москва и Санкт Петербург – това е основният протокол за квантовата криптография днес.
Вероятно основните играчи в квантовите изчисления са RCC, FIAN и Московският държавен университет.
За какво развитие си струва да говорим?
- По пътната карта правят квантикомпютри на различни платформи - атоми, йони, фотони, свръхпроводници. Според моите усещания те изостават с 3-5 години от световните компании. Но имат сериозен персонал и подход - определено ще разработят нещо полезно.
— Изследователите се страхуват, че технологията ще излезе извън контрол? Опитват ли се да го регулират вече?
- Все още сме на път към регулация, докато всички са загриженисъздаване на хардуер. Щом се появи нещо сериозно, ще се стигне до ограничения. Но всеки се страхува за данните си. Например, вече е възможно да защитите данните с квантово криптиране и да намалите вероятността квантов компютър да може да ги разбие. Но ако някой е копирал данните и чака да се появи квантов компютър, той ще може да ги дешифрира по-късно. Сега това е основната грижа.
Прочетете още:
Катапулт изпраща сателити на НАСА в небето
Гигантска магнитна буря приближава Земята
Пресъздайте Слънцето на Земята: как физиците решиха основния проблем на термоядрения синтез