« Un ordinateur classique décomposera un nombre en 2 048 bits en 1 000 000 000 000 d'années. Un ordinateur quantique - en 10 secondes "
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— La création d'un ordinateur quantique est l'une desproblèmes fondamentaux de la physique du XXIe siècle. La semaine dernière, même le prix Nobel a été décerné à des physiciens pour avoir démontré l'intrication quantique, le principe des ordinateurs quantiques. Si vous connaissez la loi de Moore (le nombre de transistors sur une puce de circuit intégré double tous les deux ans - ndlr), alors ces dernières années, elle a cessé d'être remplie, et même les fabricants de microprocesseurs se sont éloignés d'une chose telle qu'une technique traiter. Les nanomètres, dont tout le monde parle maintenant, sont plus une question de marketing.
Il y a maintenant une nouvelle branche de développement dans la lithographie -ultraviolet extrême, où ils brillent à une longueur d'onde de 13,5 nm. Il s'agit d'une longueur d'onde record qui peut être obtenue de manière stable et créer des puces dans la limite de 2-3 nm, réduisant la limite de diffraction avec diverses astuces optiques. Mais ce qu'il faut faire ensuite n'est pas clair. Une impasse est possible dans la réduction des transistors à l'horizon de 5 à 10 ans.
Danila Shaposhnikov
C'est là que la différence fondamentale peut aider.informatique quantique et classique. Les classiques sont séquentiels, et les quantiques permettent naturellement de faire des calculs complètement parallèles. Autrement dit, chaque bit quantique peut calculer en parallèle avec les autres bits quantiques du système. Dans ce cas, un bit peut avoir plusieurs états en même temps - être à la fois zéro et un. Ou même un système à plusieurs niveaux, mais le courant dominant est maintenant un qubit, il a deux niveaux. La puissance de calcul croît de manière exponentielle avec l'ajout de qubits au système (2n). Et dans le système habituel, il croît quadratiquement (n2).
La science moderne est au stade de la compréhension,qu'est-ce que la mécanique quantique. Toutes les lois des particules, l'interaction des atomes entre eux sont décrites par les lois de la mécanique quantique. Cette science est différente de ce qui l'a précédée. Par exemple, en mécanique quantique, il existe le principe de superposition, grâce auquel la dimension de l'espace d'états croît de façon exponentielle.
Un ordinateur classique ne peut tout simplement pas le faire.simuler. Un ordinateur quantique lui-même est construit sur de tels phénomènes et est capable de travailler avec de tels systèmes. De plus, dans le système mécanique quantique, il existe des amplitudes de probabilité avec des nombres complexes - les ordinateurs ordinaires n'en ont pas.
Si nous prenons le problème de l'expansion d'un certain nombre dans2048 bits, alors l'algorithme classique le décomposera en mille étapes et en 1 000 000 000 000 d'années. Et l'algorithme de Shor, s'il y avait un ordinateur quantique avec le bon nombre de qubits, le ferait en 107 étapes - environ 10 secondes. Jusqu'à présent, il n'existe pas d'ordinateurs quantiques de ce type, mais ceux qui sont déjà capables de faire ce qu'un ordinateur classique prendrait énormément de temps à faire.
- Les ordinateurs quantiques justifieront-ils les espoirs que l'on place déjà en eux ?
Commençons par comprendre ce qu'il faut pour créer un ordinateur quantique. Le physicien David di Vincenzo a correctement articulé cinq critères de base :
- Définir ce qu'est un qubit. Ils sont différents, il existe aujourd'hui plusieurs plates-formes bien connues - sur les atomes, les ions, les supraconducteurs, les photons.
- Être capable d'introduire un qubit dans une superposition.Comprendre comment faire en sorte qu'un qubit soit à la fois zéro et un. Dans chacune des plates-formes, l'introduction à la superposition est une tâche distincte, et cela peut être fait par différents principes physiques.
- Il faut créer des qubits et des intrications quantiques entre eux, pour pouvoir les contrôler, construire des portes basées sur eux.
- Maintenir cet état cohérent aussi longtemps que possible.
- Faites des mesures sur notre ordinateur quantique.
Derrière chacun de ces phénomènes se cache une grande part d’ingénieriedes difficultés. Par exemple, si vous mesurez un qubit, son état changera et il ne pourra pas être cloné. Or, le bruit, les ondes électromagnétiques et les particules ont un effet néfaste sur le système. La plupart des plates-formes refroidissent donc l'ensemble du système à basse température afin de minimiser l'impact du bruit et de la poussière. Mais travailler en cryogénie est bien plus difficile. Tout cela complique la création d'ordinateurs quantiques, il existe donc désormais un maximum d'environ 130 qubits. Par exemple, IBM a publié un système de 128 qubits.
Il existe de nombreuses complexités techniques derrière chaque étape du développement d'un ordinateur quantique.
Mais il n'y a pas que physique, mais aussi logiquequbits. Quelle est la différence? La précision de l'informatique quantique devrait être d'environ 99,9999999999999 % - alors nous la considérons comme très élevée. Mais aujourd'hui il flotte de 90 à 99%, ce sont des paramètres très bas, il est difficile de calculer exactement avec leur aide, le pourcentage d'erreurs sera élevé. Pour atteindre le niveau souhaité, ils créent des qubits logiques, c'est-à-dire qu'ils créent un qubit logique à partir d'un grand nombre de qubits physiques, programment des protocoles de correction d'erreurs, un algorithme dessus, et il s'avère qu'il s'agit d'un qubit avec une grande précision évaluer.
Par conséquent, si nous revenons aux qubits physiques,dont un ordinateur quantique devrait être fabriqué - l'industrie en est à ses débuts, approximativement au niveau de dix qubits logiques. Dans les années à venir, nous espérons pouvoir atteindre le niveau de cent qubits logiques. Cela permettra déjà de faire des choses intéressantes - optimisation de routes, tests cliniques, création synthétique de données cliniques, proximité de simulations quantiques, optimisation de portefeuilles financiers. À titre de comparaison, pour déchiffrer les algorithmes RSA, vous avez besoin d’environ un millier de qubits logiques.
Ici, nous devons faire une petite digression etDire qu'aujourd'hui, dans l'informatique quantique, il y a encore une difficulté consécutive - jusqu'à ce que la mémoire quantique soit inventée. Par conséquent, dans les dix prochaines années, l’informatique quantique fonctionnera conjointement avec les ordinateurs classiques.
L'objectif stratégique à long terme est de créer un ordinateur quantique universel. Cela nécessite plus de 10 000 qubits logiques, un contrôle fiable des portes multi-qubits et une mémoire quantique.
Que vont changer les ordinateurs quantiques ?
— Ils peuvent résoudre un large éventail de problèmes— par exemple, pour les biosciences. Actuellement, nous ne pouvons pas modéliser des composés moléculaires, même modérément complexes. C'est pourquoi les scientifiques fabriquent des molécules synthétiques et expérimentent constamment. Les simulations sont sévèrement limitées par la taille des systèmes moléculaires et les paramètres de précision. Pour cette raison, il faut dix ans pour créer un nouveau médicament. Et un ordinateur quantique capable de simuler un système de mécanique quantique accélérera radicalement le processus.
Ou ils essaient de faire le repliement des protéines maintenantRayons X, résonances magnétiques délicates. Et s'il y a un ordinateur quantique, il pourra simuler ce système, et nous simplifierons notre vie en créant des médicaments. Le développement de nouveaux matériaux pour les vols spatiaux, les moteurs et les systèmes supraconducteurs va également s'accélérer. Il y aura de nouveaux électrolytes pour les batteries, qui ont été au niveau de 200-250 Wh par kilogramme en termes de densité d'énergie par masse pendant 20 ans. Nous ne pouvons pas faire mieux, car nous ne modélisons pas encore bien.
Il est impossible de tout énumérer en une seule interviewces applications des ordinateurs quantiques que l’on peut imaginer. Même s'il peut simplement accélérer quelques processus d'opérations importantes (comme la transformée de Fourier), ce sera déjà un sérieux progrès. Et ce n’est qu’une étape vers la création d’un ordinateur quantique universel. C'est pourquoi il y a un tel battage médiatique.
— Mais ils ne peuvent être utilisés que dans le cadre de la science ?
- Non, dans n'importe quel type d'optimisation - par exemple, lorsque la théorie des graphes est utilisée. Ils sont déjà utilisés pour optimiser les portefeuilles financiers, les itinéraires et optimiser les algorithmes d'IA.
"Les Qubits c'est bien, mais cela ne signifie pas la rapidité et la précision du calcul"
- Y a-t-il d'autres problèmes qu'il n'est pas clair comment résoudre ? Qu'est-ce qui peut arrêter le progrès ?
- Le principal est la création de qubits dans un grandnombre et leur liaison, la durée de vie de l'ensemble du système. Par exemple, si la durée de vie du système est de 0,001 seconde, vous n'aurez peut-être pas le temps de calculer quelque chose d'important. Nous devons réfléchir à la manière de maintenir la qualité des calculs et de les mettre à l'échelle.
Prenons la société IonQ - ils y ont investides fonds d'investissement respectés du monde entier, il est même devenu public. Ils fabriquent des systèmes avec des ions, et le problème est qu'il y a des pièges à ions, mais il y a une limite au nombre d'ions qui peuvent être capturés. Et nous devons trouver un mécanisme pour relier les pièges les uns aux autres. Il y a encore de gros problèmes avec cela - cela entrave considérablement la mise à l'échelle du système. D'autres plates-formes ont des problèmes graves similaires.
Il y a encore des problèmes avec l'équipement - parfois sousles ordinateurs quantiques doivent inventer de nouveaux dispositifs. Par exemple, optiques spéciales, lasers, équipements sous vide, chambres cryogéniques. Il y a beaucoup de problèmes, mais c'est la voie du développement - la microélectronique l'a déjà dépassée. C'est normal : l'industrie s'adapte à chaque nouveau procédé et invente de nouveaux métaux conducteurs et autres découvertes. C'est juste que l'ensemble du système est encore à un stade précoce de maturité.
Le principal problème dans la création d'ordinateurs quantiques est la création de qubits en grand nombre et leur liaison, la durée de vie de l'ensemble du système
- En tant que non-spécialistes intéressésordinateurs quantiques, pour comprendre si une nouvelle découverte est vraiment une avancée pour cette industrie ou une autre nouvelle pour le plaisir des clics ? A quoi faire attention ? Par exemple, le nombre de qubits est-il un indicateur ?
- Il vaut mieux essayer de comprendre plusniveau profond. Si vous ne comprenez pas du tout, ces repères vous dévoileront très superficiellement l'essence du progrès, et parfois même vous tromperont. Comme, par exemple, avec le nombre de qubits - en fait, c'est bien, mais cela ne dit pas combien le système peut calculer et avec quelle précision.
Pour moi, le nombre de qubits logiques interconnectés, la précision du calcul, la durée de vie du système et la capacité de calculer des algorithmes pratiques sont importants.
— Le développement des ordinateurs quantiques est long,cher et difficile. Par conséquent, il semble qu'un nombre très limité d'organisations le fassent. Cela signifie-t-il que de tels dispositifs ne fonctionneront qu'au profit des entreprises et des États ?
- Ceux qui fabriquaient une machine plus ou moins fonctionnelle,lui ouvre généralement l'accès au cloud. Et vous pouvez écrire vos propres circuits quantiques et calculer des algorithmes. Chaque développeur souhaite augmenter le nombre de tâches pratiques pouvant être effectuées sur son ordinateur quantique, afin de réduire le coût.
En fonction du nombre d'investissements dans le secteur, on peut fairela conclusion est qu’il y a des progrès. Il s’agit d’un paramètre indirect : si des centaines d’investisseurs investissent et que le secteur se développe, cela en dit long. Et depuis 2019, le nombre d'investissements a augmenté, passant de 300 millions de dollars à 2,3 milliards de dollars. Apparemment, nous sommes proches de solutions qui deviendront pratiques.
Mais en même temps, il n'y a que 80 organisations quifabriquer des ordinateurs quantiques. Mais les chiffres indiquent que 1,5 milliard d'euros ont été investis dans le matériel, dont 12 entreprises se taillent la part du lion. Il faut ici des spécialistes en physique quantique, en mathématiques, les ingénieurs sont très demandés. Un fait intéressant: l'école soviétique est considérée comme forte ici. Nous avons parlé à bon nombre des 260 entreprises actives dans ce domaine - 20 % d'entre elles ont des ingénieurs, des physiciens ou des mathématiciens russes.
"Le nombre de qubits ne dit pas combien le système peut calculer et avec quelle précision"
"Les scientifiques russes ont 3 à 5 ans de retard sur les scientifiques mondiaux"
— Et qu'en est-il des technologies quantiques en Russie ?
- Pas vraiment.La Russie a un programme et une feuille de route pour le développement des technologies quantiques avec un budget d'environ 1 milliard de dollars jusqu'en 2024. Le programme est divisé en plusieurs feuilles de route - l'informatique quantique (supervisée par Rosatom), les communications (Chemins de fer russes et le Centre de métrologie) et les capteurs (Rostec). Gazprombank est également dans tout ce jeu, car ils sont le principal investisseur dans le centre quantique. Par exemple, une ligne de communication quantique spéciale entre Moscou et Saint-Pétersbourg est déjà apparue - c'est aujourd'hui le principal protocole de cryptographie quantique.
Les principaux acteurs de l’informatique quantique sont probablement le RCC, le FIAN et l’Université d’État de Moscou.
De quels développements ont-ils la peine de parler?
- Selon la feuille de route, ils font du quantumordinateurs sur différentes plates-formes - atomes, ions, photons, supraconducteurs. Selon mon sentiment, elles ont 3 à 5 ans de retard sur les entreprises mondiales. Mais ils ont un personnel et une approche sérieux - ils développeront certainement quelque chose d'utile.
— Les chercheurs ont peur que la technologie devienne incontrôlable ? Essaient-ils déjà de le réglementer?
- Nous sommes toujours sur la voie de la régulation, alors que tout le monde est concernécréation de matériel. Dès que quelque chose de grave apparaît, il y aura des restrictions. Mais tout le monde a peur pour ses données. Par exemple, il est désormais possible de sécuriser les données avec un cryptage quantique et de réduire la probabilité qu'un ordinateur quantique puisse les casser. Mais si quelqu'un a copié les données et attend qu'un ordinateur quantique apparaisse, il pourra les décrypter plus tard. Maintenant, c'est la principale préoccupation.
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