“Una computadora clásica descompondrá un número en 2.048 bits en 1.000.000.000.000 de años. Una computadora cuántica - en 10 segundos "
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— La creación de una computadora cuántica es uno de losproblemas fundamentales de la física del siglo XXI. La semana pasada, incluso se otorgó el Premio Nobel a los físicos por demostrar el entrelazamiento cuántico, el principio detrás de las computadoras cuánticas. Si conoce la ley de Moore (la cantidad de transistores en un chip de circuito integrado se duplica cada dos años, ed.), en los últimos años ha dejado de cumplirse, e incluso los fabricantes de microprocesadores se han alejado de algo como un técnico proceso. Los nanómetros, de los que todo el mundo habla ahora, son más una cuestión de marketing.
Ahora hay una nueva rama de desarrollo en la litografía:ultravioleta extremo, donde brillan a una longitud de onda de 13,5 nm. Esta es una longitud de onda récord que se puede obtener de manera estable y hacer chips en el límite de 2-3 nm, reduciendo el límite de difracción con varios trucos ópticos. Pero qué hacer a continuación no está claro. Es posible un callejón sin salida en la reducción de transistores en el horizonte de 5-10 años.
danila shaposhnikov
Aquí es donde la diferencia fundamental puede ayudar.Computación cuántica y clásica. Los clásicos son secuenciales y los cuánticos naturalmente te permiten hacer cálculos completamente paralelos. Es decir, cada bit cuántico puede calcularse en paralelo con los demás bits cuánticos del sistema. En este caso, un bit puede tener varios estados al mismo tiempo, ser cero y uno. O incluso un sistema de varios niveles, pero la corriente principal ahora es un qubit, tiene dos niveles. El poder de cómputo crece exponencialmente con la adición de qubits al sistema (2n). Y en el sistema habitual, crece cuadráticamente (n2).
La ciencia moderna está en la etapa de comprensión,que es la mecanica cuantica. Todas las leyes de las partículas, la interacción de los átomos entre sí está descrita por las leyes de la mecánica cuántica. Esta ciencia es diferente de lo que vino antes. Por ejemplo, en la mecánica cuántica existe el principio de superposición, por el cual la dimensión del espacio de estados crece exponencialmente.
Una computadora clásica simplemente no puede hacerlo.simular. Una computadora cuántica en sí misma se basa en tales fenómenos y puede trabajar con tales sistemas. Además, en el sistema mecánico cuántico hay amplitudes de probabilidad con números complejos; las computadoras ordinarias no tienen esto.
Si tomamos el problema de expandir un número a2048 bits, entonces el algoritmo clásico lo descompondrá en mil pasos y en 1.000.000.000.000 de años. Y el algoritmo de Shor, si hubiera una computadora cuántica con el número correcto de qubits, lo haría en 107 pasos, unos 10 segundos. Hasta el momento, no existen tales computadoras cuánticas, pero las que ya son capaces de hacer lo que una computadora clásica necesitaría una gran cantidad de tiempo para hacer.
- ¿Justificarán los ordenadores cuánticos las esperanzas que ya se han depositado en ellos?
Primero comprendamos lo que se necesita para crear una computadora cuántica. El físico David di Vincenzo articuló correctamente cinco criterios básicos:
- Definir qué es un qubit. Son diferentes, hoy en día hay varias plataformas conocidas: sobre átomos, iones, superconductores, fotones.
- Ser capaz de introducir un qubit en una superposición.Comprenda cómo hacer que un qubit sea cero y uno al mismo tiempo. En cada una de las plataformas, la introducción a la superposición es una tarea separada, y esto puede hacerse por diferentes principios físicos.
- Es necesario crear qubits y entrelazamientos cuánticos entre ellos, para poder controlarlos, construir puertas a partir de ellos.
- Mantenga este estado coherente el mayor tiempo posible.
- Haz mediciones en nuestra computadora cuántica.
Detrás de cada uno de estos fenómenos hay mucha ingenieríadificultades. Por ejemplo, si mides un qubit, su estado cambiará y no podrá clonarse. O el ruido, las ondas electromagnéticas y las partículas tienen un efecto negativo en el sistema, por lo que la mayoría de las plataformas enfrían todo el sistema a bajas temperaturas para minimizar el impacto del ruido y el polvo. Pero trabajar en criogenia es mucho más difícil. Todo esto complica la creación de ordenadores cuánticos, por lo que ahora hay un máximo de unos 130 qubits. Por ejemplo, IBM lanzó un sistema de 128 qubit.
Hay muchas complejidades de ingeniería detrás de cada paso en el desarrollo de una computadora cuántica.
Pero no solo los hay físicos, sino también lógicos.qubits ¿Cuál es la diferencia? La precisión de la computación cuántica debería ser de alrededor del 99,9999999999999 %, por lo que la consideramos muy alta. Pero hoy flota del 90 al 99%, estos son parámetros muy bajos, es difícil calcular exactamente con su ayuda, el porcentaje de errores será alto. Para lograr el nivel deseado, hacen qubits lógicos, es decir, hacen un qubit lógico a partir de una gran cantidad de qubits físicos, programan protocolos de corrección de errores, un algoritmo en él, y resulta que este es un qubit con una alta precisión. Velocidad.
Por tanto, si volvemos a los qubits físicos,del que debería fabricarse un ordenador cuántico: la industria se encuentra en una fase inicial, aproximadamente al nivel de diez qubits lógicos. En los próximos años, esperamos alcanzar un nivel de cien qubits lógicos. Esto permitirá hacer cosas interesantes: optimización de rutas, pruebas clínicas, creación sintética de datos clínicos, aproximación de simulaciones cuánticas, optimización de carteras financieras. A modo de comparación, para descifrar algoritmos RSA, se necesitan alrededor de mil qubits lógicos.
Aquí debemos hacer una pequeña digresión yDecir que hoy en día en la computación cuántica hay una dificultad más seguida, hasta que se invente la memoria cuántica. Por tanto, en los próximos 10 años la computación cuántica funcionará junto con los ordenadores clásicos.
El objetivo estratégico a largo plazo es crear una computadora cuántica universal. Esto requiere más de 10 000 qubits lógicos, un control confiable de las puertas de múltiples qubits y memoria cuántica.
¿Qué cambiarán las computadoras cuánticas?
— Pueden resolver una amplia gama de problemas.—Por ejemplo, para las biociencias. Actualmente no podemos modelar ni siquiera compuestos moleculares moderadamente complejos. Por eso los científicos fabrican moléculas sintéticas y experimentan constantemente. Las simulaciones están gravemente limitadas por el tamaño de los sistemas moleculares y los parámetros de precisión. Por esta razón, se necesitan diez años para crear un nuevo medicamento. Y una computadora cuántica que pueda simular un sistema mecánico cuántico acelerará radicalmente el proceso.
O están tratando de hacer el plegamiento de proteínas ahoraRayos X, complicadas resonancias magnéticas. Y si hay una computadora cuántica, podrá simular este sistema y simplificaremos nuestra vida en la creación de medicamentos. También se acelerará el desarrollo de nuevos materiales para vuelos espaciales, motores y sistemas superconductores. Habrá nuevos electrolitos para las baterías, que han estado en el nivel de 200-250 Wh por kilogramo en términos de densidad de energía por masa durante 20 años. No podemos hacerlo mejor, porque todavía no modelamos bien.
Es imposible siquiera enumerar todo en una sola entrevista.aquellas aplicaciones de las computadoras cuánticas que se puedan imaginar. Incluso si pudiera simplemente acelerar algunos procesos de operaciones importantes (como la transformada de Fourier), esto ya sería un progreso importante. Y este es sólo un paso hacia la creación de una computadora cuántica universal. Por eso hay tanto revuelo.
— ¿Pero sólo pueden utilizarse dentro de los límites de la ciencia?
- No, en cualquier tipo de optimización, por ejemplo, donde se usa la teoría de grafos. Ya se están utilizando para optimizar carteras financieras, rutas y optimizar algoritmos de IA.
“Los qubits son buenos, pero esto no significa la velocidad y precisión del cálculo”
- ¿Hay algún otro problema que no esté claro cómo solucionar? ¿Qué puede detener el progreso?
- La principal es la creación de qubits en un grannúmero y su vinculación, la vida útil de todo el sistema. Por ejemplo, si la vida útil del sistema es de 0,001 segundos, es posible que no tenga tiempo para calcular algo importante. Necesitamos pensar en cómo mantener la calidad de los cálculos y escalarlos.
Tomemos la empresa IonQ: invirtieron en ellafondos de inversión respetados de todo el mundo, incluso se hizo público. Hacen sistemas con iones, y el problema es que hay trampas de iones, pero hay un límite en la cantidad de iones que se pueden atrapar. Y tenemos que idear un mecanismo para vincular las trampas entre sí. Todavía hay grandes problemas con esto: dificulta enormemente la escalabilidad del sistema. Otras plataformas tienen problemas graves similares.
Todavía hay problemas con el equipo, a veces bajoLas computadoras cuánticas necesitan inventar nuevos dispositivos. Por ejemplo, ópticas especiales, láseres, equipos de vacío, cámaras criogénicas. Hay muchos problemas, pero este es el camino del desarrollo: la microelectrónica ya lo ha superado. Esto es normal: la industria se adapta a cada nuevo proceso e inventa nuevos metales conductores y otros descubrimientos. Es solo que todo el sistema aún se encuentra en una etapa temprana de madurez.
El principal problema en la creación de computadoras cuánticas es la creación de qubits en grandes cantidades y su vinculación, la vida útil de todo el sistema.
- Como no especialistas que estén interesadoscomputadoras cuánticas, para entender si un nuevo descubrimiento es realmente un paso adelante para esta industria u otra noticia en aras de los clics? ¿A qué prestar atención? Por ejemplo, ¿el número de qubits es un indicador?
- Es mejor tratar de averiguarlo en másNivel profundo. Si no comprende nada, estos puntos de referencia revelarán muy superficialmente la esencia del progreso y, a veces, incluso lo engañarán. Como, por ejemplo, con la cantidad de qubits; de hecho, esto es bueno, pero no dice cuánto puede calcular el sistema y con qué precisión.
Para mí, la cantidad de qubits lógicos interconectados, la precisión del cálculo, la vida útil del sistema y la capacidad de calcular algoritmos prácticos son importantes.
— El desarrollo de las computadoras cuánticas lleva mucho tiempo,costoso y difícil. Por lo tanto, parece que un número muy limitado de organizaciones lo están haciendo. ¿Significa esto que tales dispositivos solo funcionarán en beneficio de las corporaciones y los estados?
- Los que hicieron una máquina más o menos funcional,generalmente abierto al acceso a la nube. Y puedes escribir tus propios circuitos cuánticos y calcular algoritmos. Cada desarrollador está interesado en aumentar la cantidad de tareas prácticas que se pueden realizar en su computadora cuántica, por lo que el costo se reduce.
Según el número de inversiones en el sector, se puede hacerla conclusión es que hay avances. Este es un parámetro indirecto: si cientos de inversores invierten y la industria crece, esto dice mucho. Y desde 2019, el número de inversiones ha ido creciendo: de 300 millones de dólares a 2.300 millones de dólares. Al parecer, estamos cerca de soluciones que serán prácticas.
Pero al mismo tiempo solo hay 80 organizaciones queHacer computadoras cuánticas. Pero las cifras dicen que en hardware se invirtieron 1.500 millones, de los cuales 12 empresas se llevaron la parte del león. Aquí se necesitan especialistas en física cuántica, matemáticas, los ingenieros tienen una gran demanda. Un dato interesante: la escuela soviética se considera fuerte aquí. Hablamos con muchas de las 260 empresas activas en este campo: el 20% de ellas tienen ingenieros, físicos o matemáticos rusos.
“La cantidad de qubits no dice cuánto puede calcular el sistema y con qué precisión”
“Los científicos rusos están entre 3 y 5 años por detrás de los científicos mundiales”
— ¿Y qué hay de las tecnologías cuánticas dentro de Rusia?
- Realmente no.Rusia tiene un programa y una hoja de ruta para el desarrollo de tecnologías cuánticas con un presupuesto de alrededor de mil millones de dólares hasta 2024. El programa se divide en varias hojas de ruta: computación cuántica (supervisada por Rosatom), comunicaciones (Ferrocarriles Rusos y el Centro de Metrología) y sensores (Rostec). Gazprombank también está en todo este juego, porque es el principal inversor en el centro cuántico. Por ejemplo, ya apareció una línea de comunicación cuántica especial entre Moscú y San Petersburgo: este es el protocolo principal para la criptografía cuántica en la actualidad.
Probablemente los principales actores de la computación cuántica sean el RCC, FIAN y la Universidad Estatal de Moscú.
¿Qué novedades tienen de las que valga la pena hablar?
- De acuerdo con la hoja de ruta, hacen cuántica.computadoras en diferentes plataformas: átomos, iones, fotones, superconductores. Según mis sentimientos, están entre 3 y 5 años por detrás de las empresas mundiales. Pero tienen un personal y un enfoque serios: definitivamente desarrollarán algo útil.
— ¿Los investigadores temen que la tecnología se salga de control? ¿Están tratando de regularlo ya?
- Todavía estamos en el camino de la regulación, mientras todos están preocupadoscreación de hardware. Tan pronto como aparezca algo grave, llegará a las restricciones. Pero todos temen por sus datos. Por ejemplo, ahora es posible proteger los datos con cifrado cuántico y reducir la probabilidad de que una computadora cuántica pueda descifrarlos. Pero si alguien ha copiado los datos y está esperando a que aparezca una computadora cuántica, podrá descifrarlos más tarde. Ahora bien, esta es la principal preocupación.
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