"En klassisk computer vil dekomponere et tal til 2.048 bits på 1.000.000.000.000 år. En kvantecomputer - på 10 sekunder"
—
— Skabelsen af en kvantecomputer er en af degrundlæggende problemer i fysik i det XXI århundrede. I sidste uge blev selv Nobelprisen givet til fysikere for at demonstrere kvantesammenfiltring, princippet bag kvantecomputere. Hvis man kender til Moores lov (antallet af transistorer på en integreret kredsløbschip fordobles hvert andet år – red.), så er den i de senere år holdt op med at være opfyldt, og selv mikroprocessorproducenter er gået væk fra sådan noget som en teknisk behandle. Nanometre, som alle taler om nu, er mere en marketingting.
Nu er der en ny udviklingsgren inden for litografi -ekstrem ultraviolet, hvor de skinner ved en bølgelængde på 13,5 nm. Dette er en rekordbølgelængde, der kan opnås stabilt og lave chips i 2-3 nm grænsen, hvilket reducerer diffraktionsgrænsen med forskellige optiske tricks. Men hvad man så skal gøre er uklart. En blindgyde er mulig i reduktionen af transistorer i horisonten på 5-10 år.
Danila Shaposhnikov
Det er her, den grundlæggende forskel kan hjælpe.kvante- og klassisk databehandling. Klassiske er sekventielle, og kvanteberegninger giver dig naturligvis mulighed for at lave helt parallelle beregninger. Det vil sige, at hver kvantebit kan beregne parallelt med systemets andre kvantebit. I dette tilfælde kan en bit have flere tilstande på samme tid - være både nul og én. Eller endda et multi-level system, men mainstream nu er en qubit, den har to niveauer. Regnekraften vokser eksponentielt med tilføjelse af qubits til systemet (2n). Og i det sædvanlige system vokser den kvadratisk (n2).
Moderne videnskab er i forståelsesstadiet,hvad er kvantemekanik. Alle partiklernes love, atomernes interaktion med hinanden er beskrevet af kvantemekanikkens love. Denne videnskab er anderledes end hvad der kom før den. For eksempel er der i kvantemekanikken superpositionsprincippet, på grund af hvilket dimensionen af tilstandsrummet vokser eksponentielt.
En klassisk computer kan bare ikke gøre det.simulere. En kvantecomputer selv er bygget på sådanne fænomener og er i stand til at arbejde med sådanne systemer. Plus, i det kvantemekaniske system er der sandsynlighedsamplituder med komplekse tal - almindelige computere har ikke dette.
Hvis vi tager problemet med at udvide et eller andet antal ind2048 bit, så vil den klassiske algoritme nedbryde den i tusind trin og om 1.000.000.000.000 år. Og Shors algoritme, hvis der var en kvantecomputer med det rigtige antal qubits, ville gøre det i 107 trin - omkring 10 sekunder. Indtil videre er der ingen sådanne kvantecomputere, men dem, der allerede er i stand til at gøre, hvad en klassisk computer ville tage enormt lang tid at gøre.
- Vil kvantecomputere retfærdiggøre de forhåbninger, der allerede er blevet stillet til dem?
Lad os først forstå, hvad der skal til for at skabe en kvantecomputer. Fysiker David di Vincenzo formulerede fem grundlæggende kriterier korrekt:
- Definer, hvad en qubit er. De er forskellige, i dag er der flere velkendte platforme - på atomer, ioner, superledere, fotoner.
- Kunne indføre en qubit i en superposition.Forstå, hvordan man får en qubit til at være både nul og én på samme tid. I hver af platformene er introduktionen til superposition en separat opgave, og dette kan udføres efter forskellige fysiske principper.
- Det er nødvendigt at skabe qubits og kvantesammenfiltring mellem dem, for at kunne kontrollere dem, at bygge porte baseret på dem.
- Oprethold denne sammenhængende tilstand så længe som muligt.
- Foretag målinger på vores kvantecomputer.
Bag hvert af disse fænomener er der en masse teknikvanskeligheder. For eksempel, hvis du måler en qubit, vil dens tilstand ændre sig, og den kan ikke klones. Eller støj, elektromagnetiske bølger, partikler har en dårlig effekt på systemet, så de fleste platforme afkøler hele systemet til lave temperaturer for at minimere påvirkningen af støj og støv. Men at arbejde med kryogenik er meget vanskeligere. Alt dette komplicerer skabelsen af kvantecomputere, så nu er der maksimalt omkring 130 qubits. For eksempel udgav IBM et 128-qubit-system.
Der er mange tekniske kompleksiteter bag hvert trin i udviklingen af en kvantecomputer.
Men der er ikke kun fysiske, men også logiskequbits. Hvad er forskellen? Nøjagtigheden af kvanteberegning bør være omkring 99,99999999999999% - så anser vi den for at være meget høj. Men i dag flyder det fra 90 til 99%, disse er meget lave parametre, det er svært at beregne nøjagtigt med deres hjælp, procentdelen af fejl vil være høj. For at opnå det ønskede niveau laver de logiske qubits, det vil sige, de laver en logisk qubit fra et stort antal fysiske qubits, programfejlkorrektionsprotokoller, en algoritme på det, og det viser sig, at dette er en qubit med høj nøjagtighed sats.
Derfor, hvis vi vender tilbage til fysiske qubits,hvoraf der skal laves en kvantecomputer - industrien er på et tidligt stadie, cirka på niveau med ti logiske qubits. I de kommende år forventer vi, at et niveau på hundrede logiske qubits vil være opnåeligt. Dette vil allerede gøre det muligt at gøre interessante ting - ruteoptimering, kliniske tests, syntetisk oprettelse af kliniske data, proximation af kvantesimuleringer, optimering af finansielle porteføljer. Til sammenligning skal du bruge omkring tusind logiske qubits for at knække RSA-algoritmer.
Her skal vi lave en lille digression ogAt sige, at der i dag inden for kvanteberegning er endnu en vanskelighed i træk - indtil kvantehukommelsen er opfundet. Derfor vil kvanteberegning i de næste 10 år fungere sammen med klassiske computere.
Det strategiske langsigtede mål er at skabe en universel kvantecomputer. Dette kræver mere end 10.000 logiske qubits, pålidelig kontrol af multi-qubit-porte og kvantehukommelse.
Hvad vil kvantecomputere ændre sig?
- De kan løse en lang række problemer— for eksempel til biovidenskab. I øjeblikket kan vi ikke modellere selv moderat komplekse molekylære forbindelser. Det er derfor, videnskabsmænd laver syntetiske molekyler og eksperimenterer konstant. Simuleringer er stærkt begrænset af størrelsen af molekylære systemer og nøjagtighedsparametre. På grund af dette tager det ti år at skabe et nyt lægemiddel. Og en kvantecomputer, der kan simulere et kvantemekanisk system, vil radikalt fremskynde processen.
Eller de forsøger at lave proteinfoldning nuRøntgenstråler, vanskelige magnetiske resonanser. Og hvis der er en kvantecomputer, vil den være i stand til at simulere dette system, og vi vil forenkle vores liv med at skabe stoffer. Udviklingen af nye materialer til rumflyvninger, motorer og superledende systemer vil også accelerere. Der kommer nye elektrolytter til batterier, som har ligget på niveauet 200-250 Wh pr. kilo, hvad angår energitæthed pr. masse i 20 år. Vi kan ikke gøre det bedre, for vi modellerer ikke godt endnu.
Det er umuligt overhovedet at liste alt i ét interviewde anvendelser af kvantecomputere, der kan forestilles. Selvom han blot kan fremskynde nogle få processer af vigtige operationer (såsom Fourier-transformationen), vil dette allerede være et alvorligt fremskridt. Og dette er kun et skridt mod at skabe en universel kvantecomputer. Det er derfor, der er sådan en hype.
— Men de kan kun bruges inden for videnskabens rammer?
- Nej, i enhver form for optimering - for eksempel hvor grafteori bruges. De bliver allerede brugt til at optimere finansielle porteføljer, ruter og optimere AI-algoritmer.
"Qubits er gode, men det betyder ikke hastigheden og nøjagtigheden af beregningen"
- Er der andre problemer, som det ikke er klart, hvordan de skal løse? Hvad kan stoppe fremskridt?
- Den vigtigste er oprettelsen af qubits i en storantal og deres binding, hele systemets levetid. For eksempel, hvis systemets levetid er 0,001 sekunder, har du måske ikke tid til at beregne noget vigtigt. Vi skal tænke over, hvordan vi kan opretholde kvaliteten af beregninger og skalere dem.
Lad os tage virksomheden IonQ – de investerede i detrespekterede investeringsfonde fra hele verden, blev det endda børsnoteret. De laver systemer med ioner, og problemet er, at der er ionfælder, men der er en grænse for, hvor mange ioner der kan fanges. Og vi skal finde på en mekanisme til at forbinde fælder med hinanden. Det er der stadig store problemer med – det hæmmer kraftigt skaleringen af systemet. Andre platforme har lignende alvorlige problemer.
Der er stadig problemer med udstyret - nogle gange underkvantecomputere skal opfinde nye enheder. For eksempel speciel optik, lasere, vakuumudstyr, kryogene kamre. Der er mange problemer, men dette er udviklingens vej - mikroelektronik har allerede bestået den. Dette er normalt: Industrien tilpasser sig hver ny proces og opfinder nye ledende metaller og andre opdagelser. Det er bare, at hele systemet stadig er på et tidligt stadium af modenhed.
Hovedproblemet ved at skabe kvantecomputere er skabelsen af qubits i stort antal og deres binding, hele systemets levetid
- Som ikke-specialister, der er interesseredekvantecomputere, for at forstå, om en ny opdagelse virkelig er et fremskridt for denne industri eller en anden nyhed af hensyn til klik? Hvad skal man være opmærksom på? For eksempel, er antallet af qubits en indikator?
- Det er bedre at prøve at finde ud af det på fleredybt niveau. Hvis du slet ikke forstår, vil disse benchmarks meget overfladisk afsløre essensen af fremskridt og nogle gange endda vildlede dig. Som for eksempel med antallet af qubits - faktisk er dette godt, men det siger ikke, hvor meget systemet kan beregne og med hvilken nøjagtighed.
For mig er antallet af sammenkoblede logiske qubits, nøjagtigheden af beregningen, systemets levetid og evnen til at beregne praktiske algoritmer vigtige.
— Udviklingen af kvantecomputere er lang tid,dyrt og svært. Derfor ser det ud til, at et meget begrænset antal organisationer gør dette. Betyder det, at sådanne enheder kun vil virke til gavn for virksomheder og stater?
- Dem, der lavede en mere eller mindre fungerende maskine,normalt åben for det skyadgang. Og du kan skrive dine egne kvantekredsløb og beregne algoritmer. Hver udvikler er interesseret i at øge antallet af praktiske opgaver, der kan udføres på deres kvantecomputer, så omkostningerne reduceres.
Baseret på antallet af investeringer i sektoren, kan man foretagekonklusionen er, at der er fremskridt. Dette er en indirekte parameter - hvis hundredvis af investorer investerer, og industrien vokser, taler det meget. Og siden 2019 er antallet af investeringer vokset - fra $300 millioner til $2,3 milliarder Tilsyneladende er vi tæt på løsninger, der bliver praktiske.
Men samtidig er der kun 80 organisationer, derlave kvantecomputere. Men tallene siger, at der blev investeret 1,5 milliarder i hardware, hvoraf 12 virksomheder tog brorparten. Her er brug for specialister i kvantefysik, matematik, ingeniører er meget efterspurgte. Et interessant faktum: den sovjetiske skole betragtes som stærk her. Vi talte med mange af de 260 aktive virksomheder inden for dette felt - 20% af dem har russiske ingeniører, fysikere eller matematikere.
"Antallet af qubits siger ikke, hvor meget systemet kan beregne og med hvilken nøjagtighed"
"Russiske videnskabsmænd er 3-5 år bagefter verdens videnskabsmænd"
— Og hvad med kvanteteknologier i Rusland?
- Ikke rigtig.Rusland har et program og en køreplan for udvikling af kvanteteknologier med et budget på omkring 1 milliard dollar indtil 2024. Programmet er opdelt i flere køreplaner - kvanteberegning (overvåget af Rosatom), kommunikation (Russian Railways og Center for Metrologi) og sensorer (Rostec). Gazprombank er også med i hele dette spil, fordi de er hovedinvestoren i kvantecentret. For eksempel er en speciel kvantekommunikationslinje mellem Moskva og St. Petersborg allerede dukket op - dette er hovedprotokollen for kvantekryptografi i dag.
Sandsynligvis er de vigtigste aktører inden for kvantecomputere RCC, FIAN og Moscow State University.
Hvilken udvikling har de værd at tale om?
- Ifølge køreplanen laver de kvantecomputere på forskellige platforme - atomer, ioner, fotoner, superledere. Ifølge mine følelser er de 3-5 år bagefter verdensvirksomhederne. Men de har seriøst personale og tilgang – de vil helt sikkert udvikle noget brugbart.
— Forskere er bange for, at teknologien kommer ud af kontrol? Forsøger de allerede at regulere det?
- Vi er stadig på vej til regulering, mens alle er bekymredeoprettelse af hardware. Så snart noget alvorligt dukker op, vil det komme til restriktioner. Men alle er bange for deres data. For eksempel er det nu muligt at sikre data med kvantekryptering og mindske sandsynligheden for, at en kvantecomputer vil være i stand til at knække dem. Men hvis nogen har kopieret dataene og venter på, at en kvantecomputer dukker op, vil han være i stand til at dekryptere dem senere. Nu er dette den største bekymring.
Læs mere:
Katapult sender NASA-satellitter op i himlen
En gigantisk magnetisk storm nærmer sig Jorden
Genskab solen på jorden: hvordan fysikere løste hovedproblemet med termonuklear fusion