"Klassinen tietokone jakaa luvun 2 048 bitiksi 1 000 000 000 000 vuodessa. Kvanttitietokone - 10 sekunnissa"
—
— Kvanttitietokoneen luominen on yksiXXI vuosisadan fysiikan perusongelmat. Viime viikolla jopa Nobel-palkinto annettiin fyysikoille kvanttiketujen, kvanttitietokoneiden taustalla olevan periaatteen, osoittamisesta. Jos tiedät Mooren laista (transistorien määrä integroidussa piiripiirissä kaksinkertaistuu kahden vuoden välein - toim.), niin se on viime vuosina lakannut täyttymästä, ja jopa mikroprosessorivalmistajat ovat siirtyneet pois sellaisesta asiasta kuin tekninen. käsitellä asiaa. Nanometrit, joista kaikki nyt puhuvat, ovat enemmän markkinointia.
Nyt litografiassa on uusi kehityshaara -äärimmäinen ultravioletti, jossa ne loistavat 13,5 nm:n aallonpituudella. Tämä on ennätysaallonpituus, joka voidaan saavuttaa vakaasti ja tehdä siruja 2-3 nm:n rajalla, mikä pienentää diffraktiorajaa erilaisilla optisilla temppuilla. Mutta mitä tehdä seuraavaksi, on epäselvää. Umpikuja on mahdollinen transistorien vähentämisessä 5-10 vuoden horisontissa.
Danila Šapošnikov
Tässä perustavanlaatuinen ero voi auttaa.kvanttilaskenta ja klassinen laskenta. Klassiset ovat peräkkäisiä, ja kvanttilaskelmat mahdollistavat luonnollisesti täysin rinnakkaisten laskelmien tekemisen. Toisin sanoen jokainen kvanttibitti voi laskea rinnakkain järjestelmän muiden kvanttibittien kanssa. Tässä tapauksessa bitillä voi olla useita tiloja samanaikaisesti - olla sekä nolla että yksi. Tai jopa monitasoinen järjestelmä, mutta valtavirta on nyt qubit, sillä on kaksi tasoa. Laskentateho kasvaa eksponentiaalisesti, kun järjestelmään lisätään kubitit (2n). Ja tavallisessa järjestelmässä se kasvaa neliöllisesti (n2).
Nykytiede on ymmärtämisvaiheessa,mitä on kvanttimekaniikka. Kaikki hiukkasten lait, atomien vuorovaikutus keskenään kuvataan kvanttimekaniikan laeilla. Tämä tiede eroaa sitä edeltäneestä. Esimerkiksi kvanttimekaniikassa on superpositioperiaate, jonka ansiosta tilaavaruuden ulottuvuus kasvaa eksponentiaalisesti.
Klassinen tietokone ei vain pysty siihen.simuloida. Kvanttitietokone itsessään on rakennettu tällaisille ilmiöille ja pystyy toimimaan tällaisten järjestelmien kanssa. Lisäksi kvanttimekaanisessa järjestelmässä on todennäköisyysamplitudit kompleksiluvuilla - tavallisissa tietokoneissa tätä ei ole.
Jos otamme ongelman jonkin luvun laajentamisesta2048 bittiä, niin klassinen algoritmi hajottaa sen tuhannessa vaiheessa ja 1 000 000 000 000 vuodessa. Ja Shorin algoritmi, jos olisi kvanttitietokone, jolla on oikea määrä kubitteja, tekisi sen 107 vaiheessa - noin 10 sekunnissa. Toistaiseksi sellaisia kvanttitietokoneita ei ole olemassa, mutta ne, jotka jo pystyvät tekemään sen, mitä klassinen tietokone vaatisi valtavasti aikaa.
- Perustelevatko kvanttitietokoneet niille jo asetetut toiveet?
Ymmärrämme ensin, mitä kvanttitietokoneen luominen vaatii. Fyysikko David di Vincenzo ilmaisi oikein viisi peruskriteeriä:
- Määrittele mikä qubit on. Ne ovat erilaisia, nykyään on olemassa useita tunnettuja alustoja - atomeissa, ioneissa, suprajohtimissa, fotoneissa.
- Osaa liittää kubitin superpositioon.Ymmärrä kuinka saada kubitista olemaan sekä nolla että yksi samanaikaisesti. Jokaisella alustalla superpositioon tutustuminen on erillinen tehtävä, ja tämä voidaan tehdä erilaisilla fysikaalisilla periaatteilla.
- On välttämätöntä luoda kubitteja ja niiden välille kvanttikietoutumista, pystyä hallitsemaan niitä, rakentamaan portteja niiden pohjalta.
- Säilytä tämä yhtenäinen tila niin kauan kuin mahdollista.
- Tee mittaukset kvanttitietokoneellamme.
Jos esimerkiksi mittaat kubitin, sen tila muuttuu eikä sitä voi kloonata.Tai melulla, sähkömagneettisilla aalloilla, hiukkasilla on huono vaikutus järjestelmään, joten useimmat alustat jäähtyvätKoko järjestelmä alhaisiin lämpötiloihin melun ja pölyn vaikutusten minimoimiseksi.Kaikki tämä vaikeuttaa kvanttitietokoneiden luomista, joten nyt kubitteja on enimmillään noin 130.Esimerkiksi IBM julkaisi 128 kubitin järjestelmän.
Kvanttitietokoneen kehittämisen jokaisen vaiheen takana on monia teknisiä monimutkaisia tekijöitä.
Mutta ei ole vain fyysisiä, vaan myös loogisiaqubits. Mikä on ero? Kvanttilaskennan tarkkuuden pitäisi olla noin 99,9999999999999% - silloin pidämme sitä erittäin korkeana. Mutta tänään se kelluu 90 - 99%, nämä ovat erittäin matalia parametreja, on vaikea laskea tarkasti heidän avullaan, virheiden prosenttiosuus on korkea. Halutun tason saavuttamiseksi he tekevät loogisia kubitteja, eli he tekevät yhden loogisen kubitin suuresta määrästä fyysisiä kubitteja, ohjelman virheenkorjausprotokollia, algoritmin siihen, ja osoittautuu, että tämä on yksi kubitti suurella tarkkuudella korko.
Joten jos palaamme fyysisiin kubitteihin, joille kvanttitietokone on tarkoitus tehdä, teollisuus on varhaisessa vaiheessa, noin kymmenen loogista kubittia.Tulevina vuosina odotamme sadan loogisen kubitin tason olevan saavutettavissa.Tämä mahdollistaa jo nyt mielenkiintoisten asioiden tekemisen, kuten reittioptimoinnin, kliiniset testit, kliinisen datan synteettisen luomisen, kvanttisimulaatioiden proksimaalisoinnin ja rahoitussalkkujen optimoinnin.Vertailun vuoksi RSA-algoritmien murtamiseen tarvitaan noin 1 000 loogista kubittia.
Tässä vaiheessa meidän on tehtävä pieni poikkeama ja sanottava, että tänään kvanttilaskennassa on vielä yksi vaikeus : kvanttimuistia ei ole vielä keksitty.Siksi seuraavien 10 vuoden aikana kvanttilaskenta toimii yhdessä klassisten tietokoneiden kanssa.
Strateginen pitkän aikavälin tavoite on luoda universaali kvanttitietokone. Tämä vaatii yli 10 000 loogista kubittia, luotettavaa monikubittisten porttien ohjausta ja kvanttimuistia.
Mitä kvanttitietokoneet muuttavat?
"He pystyvät ratkaisemaan valtavan määrän ongelmia esimerkiksi biotieteissä.Tällä hetkellä emme pysty mallintamaan edes kohtalaisen monimutkaisia molekyyliyhdisteitä.Siksi tutkijat tekevät synteettisiä molekyylejä ja kokeilevat jatkuvasti.Simulaatioita rajoittavat vakavasti molekyylijärjestelmien koko ja tarkkuusparametrit.Tämän vuoksi uuden lääkkeen luominen kestää noin kymmenen vuotta.Ja kvanttitietokone, joka voi simuloida kvanttimekaanista järjestelmää, nopeutuu radikaalistiprosessi.
Tai he yrittävät nyt tehdä proteiinien laskostaRöntgenkuvat, hankalat magneettiresonanssit. Ja jos kvanttitietokone on olemassa, se pystyy simuloimaan tätä järjestelmää, ja me yksinkertaistamme elämäämme huumeiden luomisessa. Myös uusien materiaalien, moottoreiden ja suprajohtavien järjestelmien kehitys kiihtyy. Akkuihin tulee uusia elektrolyyttejä, jotka ovat olleet energiatiheydellä massaa kohti 200-250 Wh/kg 20 vuoden ajan. Emme voi tehdä parempaa, koska emme mallinnu vielä hyvin.
On mahdotonta edes luetella kaikkia kvanttitietokoneiden sovelluksia, jotka voidaan keksiä yhdessä haastattelussa.Vaikka se voi yksinkertaisesti nopeuttaa muutamia tärkeiden toimintojen prosesseja (kuten Fourier-muunnos), se on joJa tämä on vain yksi askel kohti universaalin kvanttitietokoneen luomista.Siksi siellä on niin paljon hypeä.
"Mutta niitä voidaan käyttää vain tieteen rajoissa?"
- Ei, minkäänlaisessa optimoinnissa - esimerkiksi missä käytetään graafiteoriaa. Niitä käytetään jo taloudellisten salkkujen, reittien ja tekoälyalgoritmien optimointiin.
"Qubitit ovat hyviä, mutta tämä ei tarkoita laskennan nopeutta ja tarkkuutta"
- Onko muita ongelmia, joiden ratkaiseminen ei ole selvää? Mikä voi pysäyttää edistymisen?
- Tärkein niistä on kubittien luominen suurenanumero ja niiden sitominen, koko järjestelmän käyttöikä. Jos järjestelmän käyttöikä on esimerkiksi 0,001 sekuntia, sinulla ei ehkä ole aikaa laskea jotain tärkeää. Meidän on pohdittava, kuinka laskelmien laatua ylläpidetään ja niitä skaalataan.
Otetaan yhtiö IonQ - he investoivat siihenarvostettuja sijoitusrahastoja kaikkialta maailmasta, se jopa meni pörssiin. He tekevät järjestelmiä ioneilla, ja ongelmana on, että ioniloukkuja on, mutta ionien määrällä, jotka voidaan pyytää, on raja. Ja meidän on keksittävä mekanismi ansojen yhdistämiseksi toisiinsa. Tässä on edelleen suuria ongelmia - se haittaa suuresti järjestelmän skaalausta. Muilla alustoilla on samanlaisia vakavia ongelmia.
Laitteiden kanssa on edelleen ongelmia - joskus allekvanttitietokoneiden on keksittävä uusia laitteita. Esimerkiksi erikoisoptiikka, laserit, tyhjiölaitteet, kryogeeniset kammiot. Ongelmia on monia, mutta tämä on kehityksen polku - mikroelektroniikka on jo ohittanut sen. Tämä on normaalia: teollisuus sopeutuu jokaiseen uuteen prosessiin ja keksii uusia johtavia metalleja ja muita löytöjä. Kyse on vain siitä, että koko järjestelmä on vielä kypsymisen varhaisessa vaiheessa.
Suurin ongelma kvanttitietokoneiden luomisessa on kubittien luominen suuria määriä ja niiden sitominen, koko järjestelmän elinikä
- Ei-asiantuntijoina, jotka ovat kiinnostuneitakvanttitietokoneet, ymmärtääksesi, onko uusi löytö todella askel eteenpäin tällä alalla vai toinen uutinen napsautusten vuoksi? Mihin kiinnittää huomiota? Onko esimerkiksi kubittien määrä indikaattori?
- On parempi yrittää selvittää sitä enemmänsyvälle tasolle. Jos et ymmärrä ollenkaan, nämä vertailuarvot paljastavat hyvin pinnallisesti edistymisen olemuksen ja joskus jopa johtavat sinua harhaan. Kuten esimerkiksi kubittien lukumäärä - itse asiassa tämä on hyvä, mutta se ei kerro kuinka paljon järjestelmä voi laskea ja millä tarkkuudella.
Minulle tärkeitä ovat toisiinsa liittyvien loogisten kubittien määrä, laskennan tarkkuus, järjestelmän käyttöikä ja kyky laskea käytännön algoritmeja.
— Kvanttitietokoneiden kehitys on pitkä aika,kallis ja vaikea. Siksi näyttää siltä, että hyvin rajallinen määrä organisaatioita tekee tätä. Tarkoittaako tämä, että tällaiset laitteet toimivat vain yritysten ja osavaltioiden eduksi?
- Ne, jotka tekivät enemmän tai vähemmän toimivan koneen,yleensä avoin sille pilvikäyttö. Ja voit kirjoittaa omia kvanttipiirejäsi ja laskea algoritmeja. Jokainen kehittäjä on kiinnostunut lisäämään kvanttitietokoneella suoritettavien käytännön tehtävien määrää, jolloin kustannukset pienenevät.
Alan investointien määrän perusteella voimme päätellä, että edistystä on tapahtunut.Tämä on epäsuora parametri - jos sadat sijoittajat investoivat ja teollisuus kasvaa, tämä sanooJa vuodesta 2019 lähtien investointien määrä on kasvanut - alkaen300–2.3 miljardia dollaria.Käytännön.
Mutta samaan aikaan on vain 80 organisaatiotatehdä kvanttitietokoneita. Mutta lukujen mukaan laitteistoon investoitiin 1,5 miljardia, joista 12 yritystä otti leijonanosan. Täällä tarvitaan asiantuntijoita kvanttifysiikassa, matematiikassa, insinööreillä on suuri kysyntä. Mielenkiintoinen tosiasia: Neuvostokoulua pidetään täällä vahvana. Keskustelimme monien alan 260 aktiivisen yrityksen kanssa – 20 %:ssa niistä on venäläisiä insinöörejä, fyysikoita tai matemaatikoita.
"Kubittien määrä ei kerro kuinka paljon järjestelmä pystyy laskemaan ja millä tarkkuudella"
"Venäläiset tiedemiehet ovat 3-5 vuotta jäljessä maailman tutkijoista"
— Entä kvanttiteknologiat Venäjän sisällä?
- Ei hyvä.Venäjällä on ohjelma ja tiekartta kvanttiteknologian kehittämiseksi, jonka budjetti on noin miljardi dollaria vuoteen 2024 asti. Ohjelma on jaettu useisiin tiekartoihin - kvanttilaskentaan (Rosatomin valvonnassa), viestintään (Venäjän rautatiet ja Metrologian keskus) ja anturiin (Rostec). Gazprombank on myös mukana koko pelissä, koska he ovat kvanttikeskuksen pääsijoittaja. Esimerkiksi Moskovan ja Pietarin välillä on jo ilmestynyt erityinen kvanttiviestintälinja - tämä on kvanttisalauksen pääprotokolla nykyään.
Luultavasti tärkeimmät toimijat kvanttilaskennassa ovat RCC, FIAN ja Moskovan valtionyliopisto.
Mistä kehityksestä heillä on puhumisen arvoista?
- Tiekartan mukaan he tekevät kvanttiatietokoneet eri alustoilla - atomit, ionit, fotonit, suprajohteet. Tunteeni mukaan he ovat 3-5 vuotta jäljessä maailman yrityksistä. Mutta heillä on vakava henkilökunta ja lähestymistapa - he varmasti kehittävät jotain hyödyllistä.
— Tutkijat pelkäävät, että tekniikka karkaa käsistä? Yritetäänkö he jo säädellä sitä?
– Olemme edelleen sääntelyn tiellä, kun kaikki ovat huolissaanlaitteiston luominen. Heti kun jotain vakavaa ilmenee, se tulee rajoituksiin. Mutta kaikki pelkäävät tietojaan. Nyt on esimerkiksi mahdollista suojata data kvanttisalauksella ja vähentää todennäköisyyttä, että kvanttitietokone pystyy murtamaan sen. Mutta jos joku on kopioinut tiedot ja odottaa kvanttitietokoneen ilmestymistä, hän voi purkaa sen salauksen myöhemmin. Tämä on nyt suurin huolenaihe.
Lue lisää:
Katapultti lähettää NASA-satelliitteja taivaalle
Jättimäinen magneettinen myrsky lähestyy Maata
Luo aurinko uudelleen maan päälle: kuinka fyysikot ratkaisivat lämpöydinfuusion pääongelman