Die Anzahl der Qubits in Quantencomputern ist ein Scherz. Deshalb

„Ein klassischer Computer zerlegt eine Zahl in 1.000.000.000.000 Jahren in 2.048 Bit. Ein Quantencomputer – in 10 Sekunden“

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Warum reden alle über Quantencomputer? Was können sie jetzt tun und was werden sie bald tun können?

— Die Schaffung eines Quantencomputers ist eine dergrundlegende Probleme der Physik des XXI Jahrhunderts. Letzte Woche wurde sogar der Nobelpreis an Physiker verliehen, weil sie die Quantenverschränkung, das Prinzip hinter Quantencomputern, demonstriert haben. Wenn Sie das Mooresche Gesetz kennen (die Anzahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreischip verdoppelt sich alle zwei Jahre - Red.), dann ist es in den letzten Jahren nicht mehr erfüllt, und selbst Mikroprozessorhersteller haben sich von so etwas wie einem technischen entfernt Prozess. Nanometer, von denen jetzt alle reden, sind eher eine Marketingsache.

Jetzt gibt es einen neuen Entwicklungszweig in der Lithographie -extremes Ultraviolett, wo sie bei einer Wellenlänge von 13,5 nm leuchten. Dies ist eine Rekordwellenlänge, die stabil erhalten werden kann und Chips in der 2-3-nm-Grenze erzeugt, wodurch die Beugungsgrenze mit verschiedenen optischen Tricks reduziert wird. Doch was als nächstes zu tun ist, ist unklar. Eine Sackgasse ist bei der Reduzierung von Transistoren am Horizont von 5–10 Jahren möglich.

Danila Shaposhnikov

Hier kann der grundlegende Unterschied helfen.Quanten- und klassisches Computing. Klassische sind sequentiell, und Quanten-Einsen ermöglichen es Ihnen natürlich, vollständig parallele Berechnungen durchzuführen. Das heißt, jedes Quantenbit kann parallel zu den anderen Quantenbits des Systems rechnen. In diesem Fall kann ein Bit gleichzeitig mehrere Zustände haben - sowohl Null als auch Eins sein. Oder sogar ein mehrstufiges System, aber der Mainstream ist jetzt ein Qubit, es hat zwei Ebenen. Die Rechenleistung wächst exponentiell mit dem Hinzufügen von Qubits zum System (2n). Und im üblichen System wächst sie quadratisch (n2).

Die moderne Wissenschaft befindet sich im Stadium des Verstehens,was ist quantenmechanik. Alle Gesetze der Teilchen, die Wechselwirkung der Atome untereinander wird durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben. Diese Wissenschaft unterscheidet sich von dem, was davor kam. In der Quantenmechanik gibt es beispielsweise das Prinzip der Superposition, aufgrund dessen die Dimension des Zustandsraums exponentiell wächst.

Ein klassischer Computer kann das einfach nicht.simulieren. Ein Quantencomputer selbst ist auf solchen Phänomenen aufgebaut und kann mit solchen Systemen arbeiten. Außerdem gibt es im quantenmechanischen System Wahrscheinlichkeitsamplituden mit komplexen Zahlen - gewöhnliche Computer haben das nicht.

Nehmen wir das Problem, eine Zahl zu erweitern2048 Bit, dann wird der klassische Algorithmus es in tausend Schritten und in 1.000.000.000.000 Jahren zerlegen. Und Shors Algorithmus, wenn es einen Quantencomputer mit der richtigen Anzahl von Qubits gäbe, würde das in 107 Schritten erledigen – etwa 10 Sekunden. Bisher gibt es noch keine solchen Quantencomputer, aber solche, die bereits das können, wofür ein klassischer Computer sehr viel Zeit in Anspruch nehmen würde.

- Werden Quantencomputer die bereits in sie gesetzten Hoffnungen rechtfertigen?

Lassen Sie uns zuerst verstehen, was es braucht, um einen Quantencomputer zu bauen. Der Physiker David di Vincenzo hat fünf grundlegende Kriterien richtig artikuliert:

1. Definieren Sie, was ein Qubit ist. Sie sind anders, heute gibt es mehrere bekannte Plattformen - auf Atomen, Ionen, Supraleitern, Photonen.
2. Ein Qubit in eine Superposition einführen können.Verstehen, wie ein Qubit gleichzeitig null und eins sein kann. In jeder der Plattformen ist die Einführung in die Überlagerung eine separate Aufgabe, und dies kann durch unterschiedliche physikalische Prinzipien erfolgen.
3. Es ist notwendig, Qubits und Quantenverschränkung zwischen ihnen zu erzeugen, um sie kontrollieren zu können, um auf ihnen basierende Tore zu bauen.
4. Halten Sie diesen kohärenten Zustand so lange wie möglich aufrecht.
5. Machen Sie Messungen auf unserem Quantencomputer.

Hinter jedem dieser Phänomene steckt viel TechnikSchwierigkeiten. Wenn Sie beispielsweise ein Qubit messen, ändert sich sein Zustand und es kann nicht geklont werden. Oder Lärm, elektromagnetische Wellen und Partikel wirken sich negativ auf das System aus. Daher kühlen die meisten Plattformen das gesamte System auf niedrige Temperaturen, um die Auswirkungen von Lärm und Staub zu minimieren. Aber die Arbeit in der Kryotechnik ist viel schwieriger. All dies erschwert die Entwicklung von Quantencomputern, sodass es derzeit maximal etwa 130 Qubits gibt. Beispielsweise hat IBM ein 128-Qubit-System veröffentlicht.

Hinter jedem Schritt in der Entwicklung eines Quantencomputers stecken viele technische Komplexitäten.

Aber es gibt nicht nur körperliche, sondern auch logischeQubits. Was ist der Unterschied? Die Genauigkeit von Quantencomputing sollte in der Größenordnung von 99,9999999999999 % liegen – dann halten wir sie für sehr hoch. Aber heute schwankt es zwischen 90 und 99%, das sind sehr niedrige Parameter, es ist schwierig, mit ihrer Hilfe genau zu berechnen, der Prozentsatz der Fehler wird hoch sein. Um das gewünschte Niveau zu erreichen, erstellen sie logische Qubits, das heißt, sie erstellen ein logisches Qubit aus einer großen Anzahl physischer Qubits, programmieren Fehlerkorrekturprotokolle, einen Algorithmus darauf, und es stellt sich heraus, dass dies ein Qubit mit hoher Genauigkeit ist Bewertung.

Wenn wir also zu den physikalischen Qubits zurückkehren,aus denen ein Quantencomputer bestehen sollte – die Industrie befindet sich in einem frühen Stadium, etwa auf dem Niveau von zehn logischen Qubits. Wir gehen davon aus, dass in den kommenden Jahren ein Niveau von hundert logischen Qubits erreichbar sein wird. Dies wird bereits interessante Dinge ermöglichen – Routenoptimierung, klinische Tests, synthetische Erstellung klinischer Daten, Annäherung an Quantensimulationen, Optimierung von Finanzportfolios. Zum Vergleich: Um RSA-Algorithmen zu knacken, benötigt man etwa tausend logische Qubits.

Hier müssen wir einen kleinen Exkurs machen undZu sagen, dass es heute im Quantencomputing eine weitere Schwierigkeit in Folge gibt – bis der Quantenspeicher erfunden wird. Daher wird Quantencomputing in den nächsten 10 Jahren in Verbindung mit klassischen Computern funktionieren.

Das strategische Fernziel ist die Schaffung eines universellen Quantencomputers. Dies erfordert mehr als 10.000 logische Qubits, eine zuverlässige Steuerung von Multi-Qubit-Gattern und Quantenspeicher.

Was werden Quantencomputer verändern?

— Sie können eine Vielzahl von Problemen lösen– zum Beispiel für Biowissenschaften. Derzeit können wir nicht einmal mäßig komplexe molekulare Verbindungen modellieren. Deshalb stellen Wissenschaftler synthetische Moleküle her und experimentieren ständig. Simulationen werden durch die Größe molekularer Systeme und Genauigkeitsparameter stark eingeschränkt. Aus diesem Grund dauert die Entwicklung eines neuen Medikaments zehn Jahre. Und ein Quantencomputer, der ein quantenmechanisches System simulieren kann, wird den Prozess radikal beschleunigen.

Oder sie versuchen jetzt, Proteine ​​zu faltenRöntgenstrahlen, knifflige Magnetresonanzen. Und wenn es einen Quantencomputer gibt, wird er in der Lage sein, dieses System zu simulieren, und wir werden unser Leben bei der Herstellung von Medikamenten vereinfachen. Auch die Entwicklung neuer Materialien für Raumfahrt, Triebwerke und supraleitende Systeme wird sich beschleunigen. Es wird neue Elektrolyte für Batterien geben, die seit 20 Jahren auf dem Niveau von 200-250 Wh pro Kilogramm Energiedichte pro Masse liegen. Wir können es nicht besser machen, weil wir noch nicht gut modellieren.

Es ist unmöglich, alles in einem Interview aufzulistenwelche Anwendungen von Quantencomputern man sich vorstellen kann. Selbst wenn er einfach einige Prozesse wichtiger Operationen (wie die Fourier-Transformation) beschleunigen kann, ist dies bereits ein ernsthafter Fortschritt. Und dies ist nur ein Schritt zur Schaffung eines universellen Quantencomputers. Deshalb gibt es so einen Hype.

— Aber sie können nur im Rahmen der Wissenschaft eingesetzt werden? 

- Nein, in jeder Art von Optimierung - zum Beispiel dort, wo Graphentheorie verwendet wird. Sie werden bereits zur Optimierung von Finanzportfolios, Routen und zur Optimierung von KI-Algorithmen eingesetzt.

„Qubits sind gut, aber das bedeutet nicht die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Berechnung“

- Gibt es weitere Probleme, deren Lösung nicht klar ist? Was kann den Fortschritt stoppen?

- Die wichtigste ist die Erstellung von Qubits in einem großenNummer und deren Bindung, die Lebensdauer des gesamten Systems. Wenn die Systemlebensdauer beispielsweise 0,001 Sekunden beträgt, haben Sie möglicherweise keine Zeit, etwas Wichtiges zu berechnen. Wir müssen darüber nachdenken, wie wir die Qualität der Berechnungen erhalten und skalieren können.

Nehmen wir die Firma IonQ – sie haben darin investiertangesehene Investmentfonds aus aller Welt und ging sogar an die Börse. Sie stellen Systeme mit Ionen her, und das Problem ist, dass es Ionenfallen gibt, aber die Anzahl der Ionen, die eingefangen werden können, begrenzt ist. Und wir müssen einen Mechanismus finden, um Fallen miteinander zu verbinden. Damit gibt es noch große Probleme – es behindert die Skalierung des Systems stark. Andere Plattformen haben ähnlich schwerwiegende Probleme.

Es gibt immer noch Probleme mit der Ausrüstung - manchmal unterQuantencomputer müssen neue Geräte erfinden. Zum Beispiel Spezialoptiken, Laser, Vakuumgeräte, Kryokammern. Es gibt viele Probleme, aber das ist der Weg der Entwicklung - die Mikroelektronik hat ihn bereits überschritten. Das ist normal: Die Industrie passt sich jedem neuen Prozess an und erfindet neue leitfähige Metalle und andere Entdeckungen. Nur befindet sich das ganze System noch in einem frühen Reifestadium.

Das Hauptproblem bei der Erstellung von Quantencomputern ist die Erstellung von Qubits in großer Zahl und deren Bindung, die Lebensdauer des gesamten Systems

- Als interessierte LaienQuantencomputer, um zu verstehen, ob eine neue Entdeckung wirklich ein Fortschritt für diese Branche ist oder eine weitere Neuigkeit um der Klicks willen? Was ist zu beachten? Ist zum Beispiel die Anzahl der Qubits ein Indikator?

- Es ist besser zu versuchen, es auf mehr herauszufindentiefe Ebene. Wenn Sie überhaupt nicht verstehen, werden diese Benchmarks sehr oberflächlich die Essenz des Fortschritts offenbaren und Sie manchmal sogar in die Irre führen. Wie zum Beispiel bei der Anzahl der Qubits – das ist zwar gut, sagt aber nicht aus, wie viel und mit welcher Genauigkeit das System berechnen kann.

Für mich sind die Anzahl der miteinander verbundenen logischen Qubits, die Genauigkeit der Berechnung, die Lebensdauer des Systems und die Fähigkeit, praktische Algorithmen zu berechnen, wichtig.

— Die Entwicklung von Quantencomputern ist eine lange Zeit,teuer und schwierig. Daher scheint es, dass eine sehr begrenzte Anzahl von Organisationen dies tut. Bedeutet dies nicht, dass solche Geräte nur zum Nutzen von Konzernen und Staaten funktionieren werden?

- Diejenigen, die eine mehr oder weniger funktionierende Maschine gebaut haben,in der Regel offen dafür Cloud-Zugriff. Und Sie können Ihre eigenen Quantenschaltkreise schreiben und Algorithmen berechnen. Jeder Entwickler ist daran interessiert, die Anzahl praktischer Aufgaben zu erhöhen, die auf seinem Quantencomputer erledigt werden können, damit die Kosten gesenkt werden.

Basierend auf der Anzahl der Investitionen in der Branche, die man tätigen kannDie Schlussfolgerung ist, dass es Fortschritte gibt. Dies ist ein indirekter Parameter – wenn Hunderte von Investoren investieren und die Branche wächst, spricht das Bände. Und seit 2019 ist die Zahl der Investitionen gestiegen – von 300 Millionen US-Dollar auf 2,3 Milliarden US-Dollar. Offenbar sind wir nah an Lösungen, die in die Praxis umgesetzt werden. 

Aber gleichzeitig gibt es nur 80 OrganisationenQuantencomputer machen. Aber die Zahlen besagen, dass 1,5 Milliarden in Hardware investiert wurden, von denen 12 Unternehmen den Löwenanteil übernahmen. Hier werden Spezialisten in Quantenphysik, Mathematik, Ingenieure gesucht. Eine interessante Tatsache: Die sowjetische Schule gilt hier als stark. Wir haben mit vielen der 260 aktiven Unternehmen in diesem Bereich gesprochen – 20 % von ihnen haben russische Ingenieure, Physiker oder Mathematiker.

„Die Anzahl der Qubits sagt nicht aus, wie viel und mit welcher Genauigkeit das System berechnen kann“

„Russische Wissenschaftler sind 3-5 Jahre hinter den Weltwissenschaftlern zurück“

— Und was ist mit Quantentechnologien in Russland?

- Nicht sehr.Russland hat ein Programm und eine Roadmap für die Entwicklung von Quantentechnologien mit einem Budget von etwa 1 Milliarde Dollar bis 2024. Das Programm ist in mehrere Roadmaps unterteilt – Quantencomputer (unter Aufsicht von Rosatom), Kommunikation (Russische Eisenbahnen und das Zentrum für Metrologie) und Sensoren (Rostec). Die Gazprombank ist auch in diesem ganzen Spiel, weil sie der Hauptinvestor im Quantenzentrum ist. Beispielsweise ist bereits eine spezielle Quantenkommunikationsleitung zwischen Moskau und St. Petersburg aufgetaucht - dies ist heute das Hauptprotokoll für die Quantenkryptographie.

Die wahrscheinlich wichtigsten Akteure im Quantencomputing sind das RCC, FIAN und die Moskauer Staatsuniversität.

Welche Entwicklungen gibt es, über die es sich zu sprechen lohnt?

- Laut Roadmap machen sie QuantenComputer auf verschiedenen Plattformen - Atome, Ionen, Photonen, Supraleiter. Nach meinen Gefühlen hinken sie den Weltkonzernen 3-5 Jahre hinterher. Aber sie haben seriöses Personal und einen seriösen Ansatz - sie werden definitiv etwas Nützliches entwickeln.

— Forscher befürchten, dass die Technologie außer Kontrolle gerät? Versuchen sie es bereits zu regulieren?

- Wir sind immer noch auf dem Weg zur Regulierung, während alle besorgt sindErstellung von Hardware. Sobald sich etwas Ernstes abzeichnet, wird es zu Einschränkungen kommen. Aber alle haben Angst um ihre Daten. Beispielsweise ist es jetzt möglich, Daten mit Quantenverschlüsselung zu sichern und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass ein Quantencomputer sie knacken kann. Aber wenn jemand die Daten kopiert hat und auf das Erscheinen eines Quantencomputers wartet, kann er sie später entschlüsseln. Das ist jetzt das Hauptanliegen.

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