«Ένας κλασικός υπολογιστής θα αποσυνθέσει έναν αριθμό σε 2.048 bit σε 1.000.000.000.000 χρόνια. Ένας κβαντικός υπολογιστής - σε 10 δευτερόλεπτα "
—
— Η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή είναι ένα από ταβασικά προβλήματα της φυσικής του 21ου αιώνα. Την περασμένη εβδομάδα, ακόμη και το βραβείο Νόμπελ δόθηκε σε φυσικούς για την επίδειξη της κβαντικής εμπλοκής, της αρχής πίσω από τους κβαντικούς υπολογιστές. Εάν γνωρίζετε για το νόμο του Moore (ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια - επιμ.), τότε τα τελευταία χρόνια έχει πάψει να εκπληρώνεται και ακόμη και οι κατασκευαστές μικροεπεξεργαστών έχουν απομακρυνθεί από κάτι τέτοιο όπως τεχνικό επεξεργάζομαι, διαδικασία. Τα νανόμετρα, για τα οποία όλοι μιλούν τώρα, είναι περισσότερο θέμα μάρκετινγκ.
Τώρα υπάρχει ένας νέος κλάδος ανάπτυξης στη λιθογραφία -ακραία υπεριώδη, όπου λάμπουν σε μήκος κύματος 13,5 nm. Αυτό είναι ένα μήκος κύματος ρεκόρ που μπορεί να επιτευχθεί σταθερά και να κάνει τσιπ στο όριο των 2-3 nm, μειώνοντας το όριο περίθλασης με διάφορα οπτικά κόλπα. Αλλά τι να κάνουμε στη συνέχεια είναι ασαφές. Ένα αδιέξοδο είναι πιθανό στη μείωση των τρανζίστορ στον ορίζοντα 5-10 ετών.
Ντανίλα Σαπόσνικοφ
Εδώ μπορεί να βοηθήσει η θεμελιώδης διαφορά.κβαντική και κλασική πληροφορική. Τα κλασικά είναι διαδοχικά και τα κβαντικά σας επιτρέπουν φυσικά να κάνετε εντελώς παράλληλους υπολογισμούς. Δηλαδή, κάθε κβαντικό bit μπορεί να υπολογίζει παράλληλα με τα άλλα κβαντικά bit του συστήματος. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα bit μπορεί να έχει πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα - να είναι και μηδέν και ένα. Ή ακόμα και ένα σύστημα πολλαπλών επιπέδων, αλλά το mainstream τώρα είναι ένα qubit, έχει δύο επίπεδα. Η υπολογιστική ισχύς αυξάνεται εκθετικά με την προσθήκη qubits στο σύστημα (2n). Και στο συνηθισμένο σύστημα, αυξάνεται τετραγωνικά (n2).
Η σύγχρονη επιστήμη βρίσκεται στο στάδιο της κατανόησης,τι είναι η κβαντική μηχανική. Όλοι οι νόμοι των σωματιδίων, η αλληλεπίδραση των ατόμων μεταξύ τους περιγράφονται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Αυτή η επιστήμη είναι διαφορετική από ό,τι προηγήθηκε. Για παράδειγμα, στην κβαντομηχανική υπάρχει η αρχή της υπέρθεσης, λόγω της οποίας η διάσταση του χώρου καταστάσεων αυξάνεται εκθετικά.
Ένας κλασικός υπολογιστής απλά δεν μπορεί να το κάνει.προσποιούμαι. Ένας κβαντικός υπολογιστής είναι χτισμένος σε τέτοια φαινόμενα και είναι σε θέση να συνεργαστεί με τέτοια συστήματα. Επιπλέον, στο κβαντομηχανικό σύστημα υπάρχουν πλάτη πιθανότητας με μιγαδικούς αριθμούς - οι συνηθισμένοι υπολογιστές δεν το έχουν αυτό.
Αν πάρουμε το πρόβλημα της επέκτασης κάποιου αριθμού σε2048 bit, τότε ο κλασικός αλγόριθμος θα το αποσυνθέσει σε χίλια βήματα και σε 1.000.000.000.000 χρόνια. Και ο αλγόριθμος του Shor, αν υπήρχε ένας κβαντικός υπολογιστής με τον σωστό αριθμό qubits, θα το έκανε σε 107 βήματα - περίπου 10 δευτερόλεπτα. Μέχρι στιγμής, δεν υπάρχουν τέτοιοι κβαντικοί υπολογιστές, αλλά αυτοί που είναι ήδη ικανοί να κάνουν αυτό που ένας κλασικός υπολογιστής θα χρειαζόταν τεράστιο χρόνο για να κάνει.
- Θα δικαιώσουν οι κβαντικοί υπολογιστές τις ελπίδες που τους έχουν ήδη εναποθέσει;
Ας καταλάβουμε πρώτα τι χρειάζεται για τη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή. Ο φυσικός David di Vincenzo διατύπωσε σωστά πέντε βασικά κριτήρια:
- Ορίστε τι είναι ένα qubit. Είναι διαφορετικά, σήμερα υπάρχουν πολλές γνωστές πλατφόρμες - σε άτομα, ιόντα, υπεραγωγούς, φωτόνια.
- Να είστε σε θέση να εισάγετε ένα qubit σε μια υπέρθεση.Κατανοήστε πώς να κάνετε ένα qubit να είναι και μηδέν και ένα ταυτόχρονα. Σε κάθε μία από τις πλατφόρμες, η εισαγωγή στην υπέρθεση είναι μια ξεχωριστή εργασία, και αυτό μπορεί να γίνει με διαφορετικές φυσικές αρχές.
- Είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν qubits και κβαντική εμπλοκή μεταξύ τους, να μπορέσουμε να τα ελέγξουμε, να χτίσουμε πύλες με βάση αυτά.
- Διατηρήστε αυτή τη συνεκτική κατάσταση όσο το δυνατόν περισσότερο.
- Κάντε μετρήσεις στον κβαντικό μας υπολογιστή.
Για παράδειγμα, εάν μετρήσετε ένα qubit, η κατάστασή του θα αλλάξει και δεν μπορεί να κλωνοποιηθεί.Ή ο θόρυβος, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα σωματίδια έχουν κακή επίδραση στο σύστημα, οπότε οι περισσότερες πλατφόρμες ψύχονταιολόκληρο το σύστημα σε χαμηλές θερμοκρασίες για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων του θορύβου και της σκόνης.Όλα αυτά περιπλέκουν τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών, οπότε τώρα υπάρχουν περίπου 130 qubits το πολύ.Για παράδειγμα, η IBM κυκλοφόρησε ένα σύστημα 128-qubit.
Υπάρχουν πολλές πολυπλοκότητες μηχανικής πίσω από κάθε βήμα στην ανάπτυξη ενός κβαντικού υπολογιστή.
Αλλά δεν υπάρχουν μόνο φυσικές, αλλά και λογικέςqubits. Ποιά είναι η διαφορά? Η ακρίβεια του κβαντικού υπολογισμού θα πρέπει να είναι περίπου 99,9999999999999% - τότε θεωρούμε ότι είναι πολύ υψηλή. Αλλά σήμερα επιπλέει από 90 έως 99%, αυτές είναι πολύ χαμηλές παράμετροι, είναι δύσκολο να υπολογιστούν ακριβώς με τη βοήθειά τους, το ποσοστό των σφαλμάτων θα είναι υψηλό. Για να επιτύχουν το επιθυμητό επίπεδο, κάνουν λογικά qubit, δηλαδή κάνουν ένα λογικό qubit από μεγάλο αριθμό φυσικών qubit, πρωτόκολλα διόρθωσης σφαλμάτων προγράμματος, έναν αλγόριθμο σε αυτό και αποδεικνύεται ότι αυτό είναι ένα qubit με υψηλή ακρίβεια τιμή.
Έτσι, αν πάμε πίσω στα φυσικά qubits στα οποία υποτίθεται ότι κατασκευάζεται ένας κβαντικός υπολογιστής, η βιομηχανία βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, περίπου δέκα λογικά qubits.Τα επόμενα χρόνια, αναμένουμε ότι το επίπεδο των εκατό λογικών qubits θα είναι εφικτό.Αυτό θα καταστήσει ήδη δυνατή την πραγματοποίηση ενδιαφερόντων πραγμάτων, όπως βελτιστοποίηση διαδρομής, κλινικές δοκιμές, συνθετική δημιουργία κλινικών δεδομένων, εγγύτητα κβαντικών προσομοιώσεων και βελτιστοποίηση οικονομικών χαρτοφυλακίων.Για λόγους σύγκρισης, χρειάζονται περίπου 1.000 λογικά qubits για να σπάσουν οι αλγόριθμοι RSA.
Σε αυτό το σημείο, πρέπει να κάνουμε μια μικρή παρέκβαση και να πούμε ότι σήμερα υπάρχει μια ακόμη δυσκολία στην κβαντική υπολογιστική: η κβαντική μνήμη δεν έχει ακόμη εφευρεθεί.Ως εκ τούτου, στα επόμενα 10 χρόνια, η κβαντική πληροφορική θα λειτουργεί σε συνδυασμό με τους κλασικούς υπολογιστές.
Ο στρατηγικός μακροπρόθεσμος στόχος είναι η δημιουργία ενός παγκόσμιου κβαντικού υπολογιστή. Αυτό απαιτεί περισσότερα από 10.000 λογικά qubit, αξιόπιστο έλεγχο πυλών πολλαπλών qubit και κβαντική μνήμη.
Τι θα αλλάξουν οι κβαντικοί υπολογιστές;
«Είναι σε θέση να λύσουν ένα τεράστιο φάσμα προβλημάτων , για παράδειγμα, για τις βιοεπιστήμες.Αυτή τη στιγμή, δεν μπορούμε να μοντελοποιήσουμε ακόμη και μέτρια πολύπλοκες μοριακές ενώσεις.Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες κατασκευάζουν συνθετικά μόρια και πειραματίζονται συνεχώς.Οι προσομοιώσεις περιορίζονται σημαντικά από το μέγεθος των μοριακών συστημάτων και τις παραμέτρους ακρίβειας.Εξαιτίας αυτού, χρειάζονται περίπου δέκα χρόνια για να δημιουργηθεί ένα νέο φάρμακο.Και ένας κβαντικός υπολογιστής που μπορεί να προσομοιώσει ένα κβαντομηχανικό σύστημα θα επιταχύνει ριζικάδιεργασία.
Ή προσπαθούν να κάνουν αναδίπλωση πρωτεΐνης τώραΑκτίνες Χ, δύσκολες μαγνητικές συντονισμοί. Και αν υπάρχει ένας κβαντικός υπολογιστής, θα μπορεί να προσομοιώσει αυτό το σύστημα και θα απλοποιήσουμε τη ζωή μας στη δημιουργία φαρμάκων. Η ανάπτυξη νέων υλικών για διαστημικές πτήσεις, κινητήρες και υπεραγώγιμα συστήματα θα επιταχυνθεί επίσης. Θα υπάρξουν νέοι ηλεκτρολύτες για μπαταρίες, οι οποίοι βρίσκονται στα επίπεδα των 200-250 Wh ανά κιλό ως προς την ενεργειακή πυκνότητα ανά μάζα εδώ και 20 χρόνια. Δεν μπορούμε να τα πάμε καλύτερα, γιατί δεν έχουμε ακόμη καλά μοντέλα.
Είναι αδύνατο ακόμη και να απαριθμήσουμε όλες τις εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να εφευρεθούν σε μία συνέντευξη.Ακόμα κι αν μπορεί απλά να επιταχύνει μερικές διαδικασίες σημαντικών λειτουργιών (όπως ο μετασχηματισμός Fourier), θα είναι ήδηΚαι αυτό είναι μόνο ένα βήμα προς τη δημιουργία ενός καθολικού κβαντικού υπολογιστή.Γι 'αυτό υπάρχει μια τέτοια διαφημιστική εκστρατεία.
"Αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο εντός των ορίων της επιστήμης;"
- Όχι, σε κάθε είδους βελτιστοποίηση - για παράδειγμα, όπου χρησιμοποιείται η θεωρία γραφημάτων. Χρησιμοποιούνται ήδη για τη βελτιστοποίηση χρηματοοικονομικών χαρτοφυλακίων, δρομολογίων και τη βελτιστοποίηση αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης.
"Τα Qubits είναι καλά, αλλά αυτό δεν σημαίνει την ταχύτητα και την ακρίβεια του υπολογισμού"
- Υπάρχουν άλλα προβλήματα που δεν είναι ξεκάθαρο πώς να λυθούν; Τι μπορεί να σταματήσει την πρόοδο;
- Το κυριότερο είναι η δημιουργία qubits σε ένα μεγάλοτον αριθμό και τη σύνδεσή τους, τη διάρκεια ζωής ολόκληρου του συστήματος. Για παράδειγμα, εάν η διάρκεια ζωής του συστήματος είναι 0,001 δευτερόλεπτα, τότε μπορεί να μην έχετε χρόνο να υπολογίσετε κάτι σημαντικό. Πρέπει να σκεφτούμε πώς να διατηρήσουμε την ποιότητα των υπολογισμών και να τους κλιμακώσουμε.
Ας πάρουμε την εταιρεία IonQ - επένδυσαν σε αυτήνσεβαστά επενδυτικά κεφάλαια από όλο τον κόσμο, έγινε μάλιστα και δημόσια. Κατασκευάζουν συστήματα με ιόντα και το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν παγίδες ιόντων, αλλά υπάρχει όριο στον αριθμό των ιόντων που μπορούν να πιαστούν. Και πρέπει να βρούμε έναν μηχανισμό για τη σύνδεση των παγίδων μεταξύ τους. Υπάρχουν ακόμη μεγάλα προβλήματα με αυτό - εμποδίζει πολύ την κλιμάκωση του συστήματος. Άλλες πλατφόρμες έχουν παρόμοια σοβαρά προβλήματα.
Υπάρχουν ακόμα προβλήματα με τον εξοπλισμό - μερικές φορές κάτωΟι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να εφεύρουν νέες συσκευές. Για παράδειγμα, ειδικά οπτικά, λέιζερ, εξοπλισμός κενού, κρυογονικοί θάλαμοι. Υπάρχουν πολλά προβλήματα, αλλά αυτός είναι ο δρόμος ανάπτυξης - η μικροηλεκτρονική το έχει ήδη περάσει. Αυτό είναι φυσιολογικό: η βιομηχανία προσαρμόζεται σε κάθε νέα διαδικασία και εφευρίσκει νέα αγώγιμα μέταλλα και άλλες ανακαλύψεις. Απλώς όλο το σύστημα βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο ωρίμανσης.
Το κύριο πρόβλημα στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών είναι η δημιουργία qubits σε μεγάλους αριθμούς και η σύνδεσή τους, η διάρκεια ζωής ολόκληρου του συστήματος
- Ως μη ειδικοί που ενδιαφέρονταικβαντικούς υπολογιστές, για να καταλάβουμε αν μια νέα ανακάλυψη είναι πραγματικά ένα βήμα προς τα εμπρός για αυτόν τον κλάδο ή μια άλλη είδηση για χάρη των κλικ; Τι να προσέξω; Για παράδειγμα, είναι ο αριθμός των qubits δείκτης;
- Είναι καλύτερα να προσπαθήσετε να το καταλάβετε περισσότεροβαθύ επίπεδο. Αν δεν καταλαβαίνετε καθόλου, αυτά τα σημεία αναφοράς θα αποκαλύψουν πολύ επιφανειακά την ουσία της προόδου και μερικές φορές ακόμη και θα σας παραπλανήσουν. Όπως, για παράδειγμα, με τον αριθμό των qubits - στην πραγματικότητα, αυτό είναι καλό, αλλά δεν λέει πόσα μπορεί να υπολογίσει το σύστημα και με ποια ακρίβεια.
Για μένα, ο αριθμός των διασυνδεδεμένων λογικών qubit, η ακρίβεια του υπολογισμού, η διάρκεια ζωής του συστήματος και η ικανότητα υπολογισμού πρακτικών αλγορίθμων είναι σημαντικά.
— Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών είναι μακρά,ακριβό και δύσκολο. Ως εκ τούτου, φαίνεται ότι ένας πολύ περιορισμένος αριθμός οργανισμών το κάνει αυτό. Σημαίνει αυτό ότι τέτοιες συσκευές θα λειτουργούν μόνο προς όφελος των εταιρειών και των κρατών;
- Αυτοί που έφτιαξαν μια μηχανή λίγο-πολύ εργασίας,συνήθως ανοίγει σε αυτό πρόσβαση στο σύννεφο. Και μπορείτε να γράψετε τα δικά σας κβαντικά κυκλώματα και να υπολογίσετε αλγόριθμους. Κάθε προγραμματιστής ενδιαφέρεται να αυξήσει τον αριθμό των πρακτικών εργασιών που μπορούν να γίνουν στον κβαντικό υπολογιστή του, επομένως το κόστος μειώνεται.
Κρίνοντας από τον αριθμό των επενδύσεων στον τομέα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι υπάρχει πρόοδος.Αυτή είναι μια έμμεση παράμετρος - εάν εκατοντάδες επενδυτές επενδύουν και η βιομηχανία αναπτύσσεται, αυτό λέειΚαι από το 2019, ο αριθμός των επενδύσεων αυξάνεται — από300 εκατομμύρια έως 2,3 δισεκατομμύρια δολάρια.Πρακτικός.
Αλλά την ίδια στιγμή υπάρχουν μόνο 80 οργανισμοί πουφτιάξτε κβαντικούς υπολογιστές. Όμως τα στοιχεία λένε ότι 1,5 δισεκατομμύριο επενδύθηκαν σε hardware, εκ των οποίων 12 εταιρείες πήραν τη μερίδα του λέοντος. Εδώ χρειάζονται ειδικοί στην κβαντική φυσική, τα μαθηματικά, οι μηχανικοί έχουν μεγάλη ζήτηση. Ένα ενδιαφέρον γεγονός: το σοβιετικό σχολείο θεωρείται ισχυρό εδώ. Μιλήσαμε με πολλές από τις 260 ενεργές εταιρείες σε αυτόν τον τομέα - το 20% από αυτές έχουν Ρώσους μηχανικούς, φυσικούς ή μαθηματικούς.
"Ο αριθμός των qubits δεν λέει πόσα μπορεί να υπολογίσει το σύστημα και με ποια ακρίβεια"
«Οι Ρώσοι επιστήμονες είναι 3-5 χρόνια πίσω από τους επιστήμονες του κόσμου»
— Και τι γίνεται με τις κβαντικές τεχνολογίες στη Ρωσία;
- Όχι πραγματικά.Η Ρωσία έχει ένα πρόγραμμα και έναν οδικό χάρτη για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών με προϋπολογισμό περίπου 1 δισεκατομμύριο δολάρια μέχρι το 2024. Το πρόγραμμα χωρίζεται σε διάφορους οδικούς χάρτες - κβαντικούς υπολογισμούς (υπό την επίβλεψη της Rosatom), επικοινωνιών (Ρωσικοί Σιδηρόδρομοι και Κέντρο Μετρολογίας) και αισθητήρες (Rostec). Σε όλο αυτό το παιχνίδι είναι και η Gazprombank, γιατί είναι ο κύριος επενδυτής στο κβαντικό κέντρο. Για παράδειγμα, έχει ήδη εμφανιστεί μια ειδική κβαντική γραμμή επικοινωνίας μεταξύ Μόσχας και Αγίας Πετρούπολης - αυτό είναι το κύριο πρωτόκολλο για την κβαντική κρυπτογραφία σήμερα.
Πιθανώς οι κύριοι παίκτες στον κβαντικό υπολογισμό είναι το RCC, το FIAN και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας.
Για ποιες εξελίξεις αξίζει να μιλήσουν;
- Σύμφωνα με τον οδικό χάρτη, κάνουν κβαντικήυπολογιστές σε διαφορετικές πλατφόρμες - άτομα, ιόντα, φωτόνια, υπεραγωγοί. Σύμφωνα με τα συναισθήματα μου, είναι 3-5 χρόνια πίσω από τις παγκόσμιες εταιρείες. Αλλά έχουν σοβαρό προσωπικό και προσέγγιση - σίγουρα θα αναπτύξουν κάτι χρήσιμο.
— Οι ερευνητές φοβούνται ότι η τεχνολογία θα ξεφύγει από τον έλεγχο; Προσπαθούν ήδη να το ρυθμίσουν;
-Είμαστε ακόμη στο δρόμο της ρύθμισης, ενώ όλοι ανησυχούνδημιουργία υλικού. Μόλις εμφανιστεί κάτι σοβαρό, θα έρθει σε περιορισμούς. Όλοι όμως φοβούνται για τα δεδομένα τους. Για παράδειγμα, είναι πλέον δυνατό να ασφαλιστούν δεδομένα με κβαντική κρυπτογράφηση και να μειωθεί η πιθανότητα ένας κβαντικός υπολογιστής να μπορέσει να τα σπάσει. Αλλά αν κάποιος έχει αντιγράψει τα δεδομένα και περιμένει να εμφανιστεί ένας κβαντικός υπολογιστής, θα μπορεί να τον αποκρυπτογραφήσει αργότερα. Τώρα αυτό είναι το κύριο μέλημα.
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Καταπέλτης στέλνει δορυφόρους της NASA στον ουρανό
Μια τεράστια μαγνητική καταιγίδα πλησιάζει τη Γη
Αναδημιουργήστε τον Ήλιο στη Γη: πώς οι φυσικοί έλυσαν το κύριο πρόβλημα της θερμοπυρηνικής σύντηξης