“Klasično računalo će rastaviti broj na 2.048 bita za 1.000.000.000.000 godina. Kvantno računalo - u 10 sekundi"
—
— Stvaranje kvantnog računala jedan je odtemeljni problemi fizike XXI stoljeća. Prošlog je tjedna čak i Nobelova nagrada dodijeljena fizičarima za demonstraciju kvantne isprepletenosti, principa koji stoji iza kvantnih računala. Ako znate za Mooreov zakon (broj tranzistora na čipu integriranog kruga udvostručuje se svake dvije godine - ur.), onda se posljednjih godina prestao ispunjavati, pa su se čak i proizvođači mikroprocesora odmaknuli od takve stvari kao što je tehnički postupak. Nanometri, o kojima sada svi pričaju, više su marketinška stvar.
Sada postoji nova razvojna grana u litografiji -ekstremno ultraljubičasto, gdje sjaje na valnoj duljini od 13,5 nm. To je rekordna valna duljina koja se može dobiti stabilno i napraviti čipove u granici od 2-3 nm, smanjujući granicu difrakcije raznim optičkim trikovima. Ali što dalje učiniti nije jasno. Moguća je slijepa ulica u smanjenju tranzistora na horizontu od 5-10 godina.
Danila Šapošnikov
Tu temeljna razlika može pomoći.kvantno i klasično računalstvo. Klasični su sekvencijalni, a kvantni vam prirodno omogućuju potpuno paralelne izračune. To jest, svaki kvantni bit može računati paralelno s ostalim kvantnim bitovima sustava. U ovom slučaju, bit može imati nekoliko stanja u isto vrijeme - biti i nula i jedan. Ili čak višerazinski sustav, ali sada je mainstream qubit, ima dvije razine. Računalna snaga raste eksponencijalno dodavanjem qubita u sustav (2n). A u uobičajenom sustavu raste kvadratno (n2).
Moderna znanost je u fazi razumijevanja,što je kvantna mehanika. Svi zakoni čestica, interakcija atoma međusobno opisana je zakonima kvantne mehanike. Ova se znanost razlikuje od onoga što je bilo prije nje. Na primjer, u kvantnoj mehanici postoji princip superpozicije, zbog kojeg dimenzija prostora stanja eksponencijalno raste.
Klasično računalo to jednostavno ne može.simulirati. Samo kvantno računalo je izgrađeno na takvim fenomenima i može raditi s takvim sustavima. Osim toga, u kvantnomehaničkom sustavu postoje amplitude vjerojatnosti s kompleksnim brojevima - obična računala to nemaju.
Ako uzmemo problem proširenja nekog broja u2048 bita, onda će ga klasični algoritam razložiti u tisuću koraka i za 1.000.000.000.000 godina. A Shorov algoritam, da postoji kvantno računalo s pravim brojem qubita, napravio bi to u 107 koraka – oko 10 sekundi. Zasad nema takvih kvantnih računala, već onih koji već sada mogu učiniti ono za što bi klasičnom računalu trebalo jako puno vremena.
- Hoće li kvantna računala opravdati nade koje se u njih već polažu?
Prvo shvatimo što je potrebno za stvaranje kvantnog računala. Fizičar David di Vincenzo točno je artikulirao pet osnovnih kriterija:
- Definirajte što je qubit. Različiti su, danas postoji nekoliko poznatih platformi – na atomima, ionima, supravodičima, fotonima.
- Biti u stanju uvesti qubit u superpoziciju.Shvatite kako učiniti da qubit bude i nula i jedan u isto vrijeme. U svakoj od platformi, uvod u superpoziciju zaseban je zadatak, a to se može učiniti različitim fizičkim principima.
- Potrebno je stvoriti qubite i kvantnu isprepletenost između njih, kako bi ih mogli kontrolirati, na temelju njih graditi vrata.
- Zadržite ovo koherentno stanje što je duže moguće.
- Izvršite mjerenja na našem kvantnom računalu.
Iza svakog od ovih fenomena stoji puno inženjeringapoteškoće. Na primjer, ako izmjerite qubit, njegovo stanje će se promijeniti i ne može se klonirati. Ili buka, elektromagnetski valovi, čestice loše utječu na sustav, pa većina platformi hladi cijeli sustav na niske temperature kako bi se smanjio utjecaj buke i prašine. Ali raditi u kriogenici mnogo je teže. Sve to otežava stvaranje kvantnih računala, pa sada ima maksimalno oko 130 qubita. Na primjer, IBM je izdao 128-kubitni sustav.
Mnogo je inženjerskih složenosti iza svakog koraka u razvoju kvantnog računala.
Ali ne postoje samo fizički, već i logičnikubiti. Koja je razlika? Točnost kvantnog računanja trebala bi biti oko 99,9999999999999% - tada je smatramo vrlo visokom. Ali danas se kreće od 90 do 99%, to su vrlo niski parametri, teško je točno izračunati uz njihovu pomoć, postotak pogrešaka bit će visok. Da bi postigli željenu razinu, oni prave logičke kubite, odnosno od velikog broja fizičkih kubita naprave jedan logički kubit, programiraju protokole za ispravljanje grešaka, algoritam na njemu i ispada da je to jedan kubit visoke točnosti. stopa.
Stoga, ako se vratimo fizičkim kubitima,od kojih bi se trebalo napraviti kvantno računalo - industrija je u ranoj fazi, otprilike na razini deset logičkih kubita. U nadolazećim godinama očekujemo da će se postići razina od sto logičkih kubita. To će već omogućiti raditi zanimljive stvari - optimizaciju rute, klinička ispitivanja, sintetičko stvaranje kliničkih podataka, proksimaciju kvantnih simulacija, optimizaciju financijskih portfelja. Za usporedbu, za probijanje RSA algoritama potrebno vam je oko tisuću logičkih kubita.
Ovdje treba napraviti malu digresiju iReći da danas u kvantnom računalstvu postoji još jedna poteškoća u nizu – dok se ne izumi kvantna memorija. Stoga će u sljedećih 10 godina kvantno računalstvo raditi u sprezi s klasičnim računalima.
Strateški dugoročni cilj je stvaranje univerzalnog kvantnog računala. To zahtijeva više od 10 000 logičkih kubita, pouzdanu kontrolu multi-kubitnih vrata i kvantnu memoriju.
Što će kvantna računala promijeniti?
— Oni mogu riješiti veliki broj problema— na primjer, za bioznanosti. Trenutačno ne možemo modelirati čak ni umjereno složene molekularne spojeve. Zato znanstvenici prave sintetičke molekule i neprestano eksperimentiraju. Simulacije su ozbiljno ograničene veličinom molekularnih sustava i parametrima točnosti. Zbog toga je za stvaranje novog lijeka potrebno deset godina. A kvantno računalo koje može simulirati kvantno mehanički sustav radikalno će ubrzati proces.
Ili sada pokušavaju savijati proteineX-zrake, lukave magnetske rezonancije. A ako postoji kvantno računalo, ono će moći simulirati ovaj sustav, a mi ćemo si pojednostaviti život u stvaranju lijekova. Ubrzat će se i razvoj novih materijala za svemirske letove, motora i supravodljivih sustava. Bit će novi elektroliti za baterije, koji su već 20 godina na razini gustoće energije po masi 200-250 Wh po kilogramu. Ne možemo bolje, jer još ne modeliramo dobro.
Nemoguće je sve nabrojati u jednom intervjuuone primjene kvantnih računala koje se mogu zamisliti. Čak i ako može jednostavno ubrzati nekoliko procesa važnih operacija (kao što je Fourierova transformacija), to će već biti ozbiljan napredak. A ovo je samo jedan korak prema stvaranju univerzalnog kvantnog računala. Zato postoji takva pompa.
— Ali oni se mogu koristiti samo u granicama znanosti?
- Ne, u bilo kojoj vrsti optimizacije - na primjer, gdje se koristi teorija grafova. Već se koriste za optimizaciju financijskih portfelja, ruta i optimizaciju AI algoritama.
“Qubiti su dobri, ali to ne znači brzinu i točnost izračuna”
- Ima li još problema za koje nije jasno kako ih riješiti? Što može zaustaviti napredak?
- Glavni je stvaranje qubita u velikombroj i njihovo vezanje, životni vijek cijelog sustava. Na primjer, ako je životni vijek sustava 0,001 sekunda, tada možda nećete imati vremena izračunati nešto važno. Moramo razmišljati o tome kako održati kvalitetu izračuna i skalirati ih.
Uzmimo tvrtku IonQ – uložili su u njuuglednih investicijskih fondova iz cijeloga svijeta, čak je i izašla na burzu. Oni rade sustave s ionima, a problem je što postoje ionske zamke, ali postoji ograničenje broja iona koji se mogu uhvatiti. I moramo smisliti mehanizam za međusobno povezivanje zamki. S tim još uvijek postoje veliki problemi - uvelike otežava skaliranje sustava. Druge platforme imaju slične teške probleme.
I dalje postoje problemi s opremom - ponekad ispodkvantna računala trebaju izmisliti nove uređaje. Na primjer, specijalna optika, laseri, vakuumska oprema, kriogene komore. Mnogo je problema, ali to je put razvoja - mikroelektronika ga je već prošla. To je normalno: industrija se prilagođava svakom novom procesu i izmišlja nove vodljive metale i druga otkrića. Samo što je cijeli sustav još u ranoj fazi zrelosti.
Glavni problem u stvaranju kvantnih računala je stvaranje velikog broja kubita i njihovo uvezivanje, životni vijek cijelog sustava
- Kao nespecijalisti koji su zainteresiranikvantnih računala, kako bismo shvatili je li novo otkriće doista korak naprijed za ovu industriju ili još jedna vijest radi klikova? Na što obratiti pozornost? Na primjer, je li broj qubita pokazatelj?
- Bolje je pokušati to shvatiti na višeduboka razina. Ako uopće ne razumijete, ova će mjerila vrlo površno otkriti bit napretka, a ponekad vas i dovesti u zabludu. Kao, na primjer, s brojem kubita - zapravo, to je dobro, ali ne govori koliko sustav može izračunati i s kojom točnošću.
Za mene je važan broj međusobno povezanih logičkih kubita, točnost izračuna, životni vijek sustava i sposobnost izračunavanja praktičnih algoritama.
— Razvoj kvantnih računala traje dugo,skupo i teško. Stoga se čini da vrlo ograničen broj organizacija to čini. Znači li to da će takvi uređaji raditi samo za dobrobit korporacija i države?
- Oni koji su napravili koliko-toliko radni stroj,obično mu je otvoren pristup oblaku. I možete napisati vlastite kvantne sklopove i izračunati algoritme. Svaki programer zainteresiran je za povećanje broja praktičnih zadataka koje može obaviti na svom kvantnom računalu, čime se smanjuje trošak.
Na temelju broja ulaganja u sektor, može se napravitizaključak je da ima napretka. To je neizravni parametar – ako stotine investitora ulažu i industrija raste, to dovoljno govori. A od 2019. godine broj investicija raste - sa 300 milijuna dolara na 2,3 milijarde dolara. Navodno smo blizu rješenja koja će postati praktična.
Ali u isto vrijeme postoji samo 80 organizacija kojenapraviti kvantna računala. No, brojke govore da je u hardver uloženo 1,5 milijardi, od čega je 12 tvrtki preuzelo lavovski udio. Ovdje su potrebni stručnjaci za kvantnu fiziku, matematiku, inženjeri su vrlo traženi. Zanimljiva činjenica: ovdje se sovjetska škola smatra jakom. Razgovarali smo s mnogim od 260 aktivnih tvrtki u ovom području - 20% njih ima ruske inženjere, fizičare ili matematičare.
“Broj kubita ne govori koliko sustav može izračunati i s kojom točnošću”
“Ruski znanstvenici zaostaju 3-5 godina za svjetskim znanstvenicima”
— A što je s kvantnim tehnologijama unutar Rusije?
- Ne baš.Rusija ima program i plan razvoja kvantnih tehnologija s proračunom od oko milijardu dolara do 2024. godine. Program je podijeljen u nekoliko mapa puta - kvantno računalstvo (pod nadzorom Rosatoma), komunikacije (Ruske željeznice i Centar za mjeriteljstvo) i senzori (Rostec). U cijeloj ovoj igri je i Gazprombank, jer oni su glavni investitor u kvantni centar. Na primjer, već se pojavila posebna kvantna komunikacijska linija između Moskve i Sankt Peterburga - to je danas glavni protokol za kvantnu kriptografiju.
Vjerojatno glavni igrači u kvantnom računalstvu su RCC, FIAN i Moskovsko državno sveučilište.
O kakvom razvoju događaja vrijedi razgovarati?
- Prema planu puta rade kvantumuračunala na različitim platformama - atomi, ioni, fotoni, supravodiči. Po mom osjećaju za svjetskim kompanijama kasne 3-5 godina. Ali imaju ozbiljan kadar i pristup - sigurno će razviti nešto korisno.
— Istraživači se boje da će tehnologija izmaći kontroli? Pokušavaju li to već regulirati?
- Još smo na putu regulacije, a svi su zabrinutistvaranje hardvera. Čim se pojavi nešto ozbiljno, doći će do ograničenja. Ali svatko se boji za svoje podatke. Na primjer, sada je moguće osigurati podatke kvantnom enkripcijom i smanjiti vjerojatnost da će ih kvantno računalo uspjeti probiti. Ali ako je netko kopirao podatke i čeka da se pojavi kvantno računalo, moći će ga kasnije dešifrirati. Ovo je sada glavna briga.
Čitaj više:
Katapult šalje NASA-ine satelite u nebo
Zemlji se približava ogromna magnetska oluja
Ponovno stvoriti Sunce na Zemlji: kako su fizičari riješili glavni problem termonuklearne fuzije