„Klasický počítač rozloží číslo na 2 048 bitů za 1 000 000 000 000 let. Kvantový počítač – za 10 sekund “
—
— Vytvoření kvantového počítače je jedním zzákladní problémy fyziky XXI století. Minulý týden byla dokonce fyzikům udělena Nobelova cena za prokázání kvantového zapletení, principu kvantových počítačů. Pokud víte o Moorově zákoně (počet tranzistorů na čipu s integrovaným obvodem se každé dva roky zdvojnásobí - pozn. red.), tak se v posledních letech přestává plnit a i výrobci mikroprocesorů se od takových věcí, jako je technický proces. Nanometry, o kterých teď všichni mluví, jsou spíše marketingová záležitost.
Nyní existuje nová vývojová větev v litografii -extrémní ultrafialové, kde září na vlnové délce 13,5 nm. Jedná se o rekordní vlnovou délku, kterou lze získat stabilně a vyrobit čipy v rozsahu 2-3 nm, snižující difrakční limit různými optickými triky. Co ale dělat dál, není jasné. Slepá ulička je možná v redukci tranzistorů v horizontu 5–10 let.
Danila Shaposhnikov
Zde může pomoci zásadní rozdíl.kvantové a klasické výpočty. Klasické jsou sekvenční a kvantové přirozeně umožňují provádět zcela paralelní výpočty. To znamená, že každý kvantový bit může počítat paralelně s ostatními kvantovými bity systému. V tomto případě může mít bit několik stavů současně - být nula i jedna. Nebo dokonce víceúrovňový systém, ale hlavním proudem je nyní qubit, má dvě úrovně. Výpočetní výkon roste exponenciálně s přidáváním qubitů do systému (2n). A v obvyklém systému roste kvadraticky (n2).
Moderní věda je ve fázi porozumění,co je kvantová mechanika. Všechny zákony částic, interakce atomů mezi sebou jsou popsány zákony kvantové mechaniky. Tato věda se liší od toho, co bylo před ní. Například v kvantové mechanice existuje princip superpozice, díky kterému roste dimenze stavového prostoru exponenciálně.
Klasický počítač to prostě neumí.simulovat. Samotný kvantový počítač je na takových jevech postaven a je schopen s takovými systémy pracovat. Navíc v kvantově mechanickém systému existují amplitudy pravděpodobnosti s komplexními čísly - běžné počítače to nemají.
Pokud vezmeme problém rozšíření nějakého čísla do2048 bitů, pak jej klasický algoritmus rozloží v tisících krocích a za 1 000 000 000 000 let. A Shorův algoritmus, pokud by existoval kvantový počítač se správným počtem qubitů, by to udělal ve 107 krocích - asi 10 sekund. Zatím neexistují takové kvantové počítače, ale ty, které už umí to, co klasický počítač, by zabraly obrovské množství času.
- Ospravedlní kvantové počítače naděje, které do nich již byly vloženy?
Pojďme nejprve pochopit, co je potřeba k vytvoření kvantového počítače. Fyzik David di Vincenzo správně formuloval pět základních kritérií:
- Definujte, co je qubit. Jsou různé, dnes existuje několik známých platforem - na atomech, iontech, supravodičích, fotonech.
- Umět zavést qubit do superpozice.Pochopte, jak dosáhnout toho, aby qubit byl nula i jedna zároveň. Na každé z platforem je úvod do superpozice samostatným úkolem, a to lze provést různými fyzikálními principy.
- Je potřeba vytvářet qubity a kvantové propletení mezi nimi, umět je ovládat, stavět na nich brány.
- Udržujte tento koherentní stav tak dlouho, jak je to možné.
- Proveďte měření na našem kvantovém počítači.
Za každým z těchto jevů je spousta inženýrstvípotíže. Pokud například změříte qubit, jeho stav se změní a nelze jej naklonovat. Nebo hluk, elektromagnetické vlny, částice mají špatný vliv na systém, takže většina platforem chladí celý systém na nízké teploty, aby se minimalizoval dopad hluku a prachu. Práce v kryogenice je ale mnohem obtížnější. To vše komplikuje tvorbu kvantových počítačů, takže nyní je jich maximálně asi 130 qubitů. Například IBM vydala 128-qubitový systém.
Za každým krokem ve vývoji kvantového počítače je mnoho inženýrských složitostí.
Ale existují nejen fyzické, ale i logickéqubity. Jaký je rozdíl? Přesnost kvantových výpočtů by měla být asi 99,9999999999999 % – pak ji považujeme za velmi vysokou. Ale dnes to plave od 90 do 99 %, to jsou velmi nízké parametry, těžko se s jejich pomocí počítá přesně, procento chyb bude vysoké. Aby dosáhli požadované úrovně, vytvářejí logické qubity, to znamená, že vytvářejí jeden logický qubit z velkého počtu fyzických qubitů, programují protokoly pro opravu chyb, algoritmus a ukazuje se, že je to jeden qubit s vysokou přesností. hodnotit.
Pokud se tedy vrátíme k fyzickým qubitům,z nichž by měl být vyroben kvantový počítač - průmysl je v rané fázi, přibližně na úrovni deseti logických qubitů. V příštích letech očekáváme, že bude dosažitelná úroveň sta logických qubitů. To již umožní dělat zajímavé věci - optimalizaci tras, klinické testy, syntetické vytváření klinických dat, proximaci kvantových simulací, optimalizaci finančních portfolií. Pro srovnání, k prolomení algoritmů RSA potřebujete asi tisíc logických qubitů.
Zde musíme udělat malou odbočku aChcete-li říci, že dnes v kvantových počítačích existuje ještě jedna obtíž v řadě - dokud nebude vynalezena kvantová paměť. Proto v příštích 10 letech budou kvantové výpočty fungovat ve spojení s klasickými počítači.
Strategickým dlouhodobým cílem je vytvořit univerzální kvantový počítač. To vyžaduje více než 10 000 logických qubitů, spolehlivé řízení multi-qubitových hradel a kvantovou paměť.
Co změní kvantové počítače?
— Mohou vyřešit širokou škálu problémů— například pro biovědy. V současné době neumíme modelovat ani středně složité molekulární sloučeniny. Vědci proto vyrábějí syntetické molekuly a neustále experimentují. Simulace jsou silně omezeny velikostí molekulárních systémů a parametry přesnosti. Z tohoto důvodu trvá vytvoření nového léku deset let. A kvantový počítač, který dokáže simulovat kvantově mechanický systém, tento proces radikálně urychlí.
Nebo se teď pokoušejí o skládání proteinůRentgenové záření, složité magnetické rezonance. A pokud bude existovat kvantový počítač, bude schopen tento systém simulovat a my si zjednodušíme život při vytváření drog. Zrychlí se také vývoj nových materiálů pro lety do vesmíru, motorů a supravodivých systémů. Přijdou nové elektrolyty pro baterie, které se už 20 let pohybují na úrovni 200-250 Wh na kilogram v energetické hustotě na hmotu. Nemůžeme to udělat lépe, protože zatím neumíme dobře modelovat.
Není možné ani vyjmenovat vše v jednom rozhovoruty aplikace kvantových počítačů, které si lze představit. I když může jednoduše urychlit několik procesů důležitých operací (jako je Fourierova transformace), už to bude vážný pokrok. A to je jen jeden krok k vytvoření univerzálního kvantového počítače. Proto je takový humbuk.
— Ale lze je použít pouze v mezích vědy?
- Ne, při jakékoli optimalizaci - například tam, kde se používá teorie grafů. Již se používají k optimalizaci finančních portfolií, tras a optimalizaci algoritmů AI.
"Qubity jsou dobré, ale to neznamená rychlost a přesnost výpočtu"
- Existují nějaké další problémy, u kterých není jasné, jak je vyřešit? Co může zastavit pokrok?
- Hlavním z nich je vytváření qubitů ve velkémčíslo a jejich vazba, životnost celého systému. Pokud je například životnost systému 0,001 sekundy, možná nebudete mít čas vypočítat něco důležitého. Musíme se zamyslet nad tím, jak udržet kvalitu výpočtů a škálovat je.
Vezměme si společnost IonQ – investovali do nírespektovaných investičních fondů z celého světa, dokonce se dostal na burzu. Vytvářejí systémy s ionty a problém je v tom, že existují iontové pasti, ale počet iontů, které lze zachytit, je omezený. A musíme vymyslet mechanismus, jak pasti vzájemně propojit. S tím jsou stále velké problémy – značně to brání škálování systému. Jiné platformy mají podobné vážné problémy.
Stále jsou problémy s vybavením - někdy podkvantové počítače potřebují vynalézt nová zařízení. Například speciální optika, lasery, vakuová zařízení, kryogenní komory. Problémů je mnoho, ale toto je cesta vývoje – mikroelektronika ji už prošla. To je normální: průmysl se přizpůsobuje každému novému procesu a vynalézá nové vodivé kovy a další objevy. Jen je celý systém stále v rané fázi zralosti.
Hlavním problémem při vytváření kvantových počítačů je vytváření qubitů ve velkém množství a jejich vazba, životnost celého systému
- Jako laici, kteří mají zájemkvantové počítače, abychom pochopili, zda je nový objev skutečně krokem vpřed pro toto odvětví, nebo jinou novinkou kvůli klikání? Na co si dát pozor? Je například počet qubitů ukazatelem?
- Je lepší zkusit na to přijít víchluboké úrovni. Pokud vůbec nerozumíte, tyto benchmarky velmi povrchně odhalí podstatu pokroku a někdy vás dokonce zavádějí. Jako například u počtu qubitů - ve skutečnosti je to dobré, ale neříká to, kolik systém dokáže vypočítat a s jakou přesností.
Pro mě je důležitý počet propojených logických qubitů, přesnost výpočtu, životnost systému a schopnost vypočítat praktické algoritmy.
— Vývoj kvantových počítačů je dlouhá doba,drahé a obtížné. Proto se zdá, že to dělá velmi omezený počet organizací. Znamená to, že taková zařízení budou fungovat pouze ve prospěch korporací a států?
- Ti, kteří vyrobili více či méně fungující stroj,obvykle se mu otevírá cloudový přístup. A můžete psát své vlastní kvantové obvody a vypočítat algoritmy. Každý vývojář má zájem zvýšit počet praktických úkolů, které lze provést na jeho kvantovém počítači, takže náklady jsou sníženy.
Na základě počtu investic v odvětví lze provéstzávěr je, že došlo k pokroku. To je nepřímý parametr – pokud stovky investorů investují a odvětví roste, vypovídá to o mnohém. A od roku 2019 počet investic roste – z 300 milionů USD na 2,3 miliardy USD Zřejmě jsme blízko řešení, která se stanou praktickými.
Ale zároveň existuje pouze 80 organizací, kterévyrábět kvantové počítače. Čísla ale říkají, že do hardwaru bylo investováno 1,5 miliardy, z čehož lví podíl získalo 12 společností. Jsou zde potřeba specialisté na kvantovou fyziku, matematiku, inženýři jsou velmi žádaní. Zajímavý fakt: sovětská škola je zde považována za silnou. Mluvili jsme s mnoha z 260 aktivních společností v této oblasti – 20 % z nich má ruské inženýry, fyziky nebo matematiky.
„Počet qubitů neříká, kolik dokáže systém vypočítat a s jakou přesností“
"Ruští vědci jsou 3-5 let pozadu za světovými"
— A co kvantové technologie v Rusku?
- Špatný.Rusko má program a plán rozvoje kvantových technologií s rozpočtem zhruba 1 miliardy dolarů do roku 2024. Program je rozdělen do několika plánů – kvantové výpočty (pod dohledem Rosatom), komunikace (Ruské dráhy a Centrum pro metrologii) a senzory (Rostec). V celé této hře je i Gazprombank, protože jsou hlavním investorem kvantového centra. Už se objevila například speciální kvantová komunikační linka mezi Moskvou a Petrohradem – to je dnes hlavní protokol pro kvantovou kryptografii.
Pravděpodobně hlavními hráči v oblasti kvantových počítačů jsou RCC, FIAN a Moskevská státní univerzita.
O jakém vývoji stojí za to mluvit?
- Podle plánu dělají kvantapočítače na různých platformách - atomy, ionty, fotony, supravodiče. Podle mých pocitů jsou 3-5 let pozadu za světovými firmami. Ale mají seriózní personál a přístup - určitě vyvinou něco užitečného.
— Výzkumníci se bojí, že se technologie vymkne kontrole? Už se to snaží regulovat?
- Stále jsme na cestě k regulaci, zatímco všichni jsou znepokojenivytvoření hardwaru. Jakmile se objeví něco vážného, dojde na omezení. Všichni se ale bojí o svá data. Nyní je například možné zabezpečit data pomocí kvantového šifrování a snížit pravděpodobnost, že je kvantový počítač dokáže prolomit. Pokud ale někdo data zkopíroval a čeká, až se objeví kvantový počítač, bude je moci později dešifrovat. Nyní je to hlavní problém.
Přečtěte si více:
Katapult vysílá satelity NASA na oblohu
K Zemi se blíží obří magnetická bouře
Obnovte Slunce na Zemi: jak fyzici vyřešili hlavní problém termonukleární fúze