„Egy klasszikus számítógép 1 000 000 000 000 év alatt 2048 bitre bont egy számot. Kvantumszámítógép – 10 másodperc alatt
—
— A kvantumszámítógép létrehozása az egyikszázadi fizika alapvető problémái. A múlt héten még a Nobel-díjat is megkapták a fizikusok a kvantum-összefonódás, a kvantumszámítógépek mögött meghúzódó elv bemutatásáért. Ha ismeri a Moore-törvényt (kétévente megduplázódik a tranzisztorok száma egy integrált áramköri chipen – a szerk.), akkor az utóbbi években megszűnt teljesülni, sőt a mikroprocesszorgyártók is eltávolodtak az olyantól, hogy egy műszaki folyamat. A nanométerek, amelyekről most mindenki beszél, inkább marketing dolog.
Most van egy új fejlesztési ág a litográfiában -extrém ultraibolya sugárzás, ahol 13,5 nm-es hullámhosszon ragyognak. Ez egy rekord hullámhossz, amit stabilan lehet elérni, és 2-3 nm-es határig lehet chipeket készíteni, különféle optikai trükkökkel csökkentve a diffrakciós határt. De nem világos, hogy mi legyen a következő lépés. A tranzisztorok csökkentésében zsákutca lehetséges 5-10 év távlatában.
Danila Shaposhnikov
Itt segíthet az alapvető különbség.kvantum- és klasszikus számítástechnika. A klasszikusok szekvenciálisak, a kvantumosak pedig természetesen teljesen párhuzamos számításokat tesznek lehetővé. Vagyis minden kvantumbit párhuzamosan tud számolni a rendszer többi kvantumbitjével. Ebben az esetben egy bitnek több állapota is lehet egyszerre - lehet nulla és egy is. Vagy akár többszintű rendszer, de a mainstream most egy qubit, két szintje van. A számítási teljesítmény exponenciálisan növekszik a qubitek rendszerhez való hozzáadásával (2n). És a szokásos rendszerben négyzetesen növekszik (n2).
A modern tudomány a megértés szakaszában van,mi a kvantummechanika. A részecskék minden törvényét, az atomok egymás közötti kölcsönhatását a kvantummechanika törvényei írják le. Ez a tudomány különbözik az előtte létezőtől. Például a kvantummechanikában létezik a szuperpozíció elve, aminek köszönhetően az állapottér mérete exponenciálisan növekszik.
Egy klasszikus számítógép egyszerűen nem képes rá.szimulálni. Maga a kvantumszámítógép is ilyen jelenségekre épül, és képes ilyen rendszerekkel dolgozni. Ráadásul a kvantummechanikai rendszerben vannak valószínűségi amplitúdók komplex számokkal - a közönséges számítógépekben ez nincs.
Ha vesszük egy szám kiterjesztésének problémáját2048 bit, akkor a klasszikus algoritmus ezer lépésben és 1 000 000 000 000 év alatt bontja fel. És Shor algoritmusa, ha lenne egy kvantumszámítógép megfelelő számú qubittel, 107 lépésben – körülbelül 10 másodpercben – megtenné. Egyelőre nem léteznek ilyen kvantumszámítógépek, de olyanok, amelyek már képesek arra, amire egy klasszikus számítógépnek óriási időbe telne.
- A kvantumszámítógépek igazolják a hozzájuk fűzött reményeket?
Először is értsük meg, mi kell egy kvantumszámítógép létrehozásához. David di Vincenzo fizikus helyesen fogalmazott meg öt alapvető kritériumot:
- Határozza meg, mi az a qubit. Különbözőek, ma már több jól ismert platform létezik - atomokon, ionokon, szupravezetőkön, fotonokon.
- Legyen képes qubitet bevinni szuperpozícióba.Ismerje meg, hogyan lehet egy qubitet egyszerre nullára és egyre állítani. Mindegyik platformon külön feladat a szuperpozíció bevezetése, és ez más-más fizikai elvek alapján történhet.
- Közöttük qubiteket és kvantumösszefonódást kell létrehozni, irányítani, ezek alapján kapukat építeni.
- Tartsa fenn ezt a koherens állapotot, ameddig csak lehetséges.
- Végezzen méréseket kvantumszámítógépünkön.
E jelenségek mindegyike mögött rengeteg mérnöki munka állnehézségek. Például, ha mérünk egy qubitet, az állapota megváltozik, és nem klónozható. Vagy a zaj, az elektromágneses hullámok, a részecskék rossz hatással vannak a rendszerre, így a legtöbb platform az egész rendszert alacsony hőmérsékletre hűti, hogy minimálisra csökkentse a zaj és a por hatását. De a kriogenikában dolgozni sokkal nehezebb. Mindez bonyolítja a kvantumszámítógépek létrehozását, így most maximum körülbelül 130 qubit van. Például az IBM kiadott egy 128 qubites rendszert.
A kvantumszámítógép fejlesztésének minden lépése mögött számos mérnöki bonyolultság áll.
De nem csak fizikai, hanem logikai is vannakqubitek. Mi a különbség? A kvantumszámítás pontosságának körülbelül 99,9999999999999%-nak kell lennie - akkor nagyon magasnak tartjuk. De ma 90-ről 99%-ra lebeg, ezek nagyon alacsony paraméterek, nehéz pontosan kiszámítani a segítségükkel, a hibák százalékos aránya magas lesz. A kívánt szint eléréséhez logikai qubiteket készítenek, vagyis nagyszámú fizikai qubitből készítenek egy logikai qubitet, program hibajavító protokollokat, egy algoritmust, és kiderül, hogy ez egy qubit nagy pontossággal mérték.
Ezért, ha visszatérünk a fizikai kvbitekhez,amelyekből kvantumszámítógépet kellene készíteni – az iparág korai szakaszában van, megközelítőleg tíz logikai qubit szintjén. Az elkövetkező években várhatóan száz logikai qubit szint lesz elérhető. Ez már érdekes dolgokat tesz lehetővé – útvonaloptimalizálás, klinikai tesztek, klinikai adatok szintetikus létrehozása, kvantumszimulációk közelítése, pénzügyi portfóliók optimalizálása. Összehasonlításképpen az RSA algoritmusok feltöréséhez körülbelül ezer logikai qubitre van szükség.
Itt egy kis kitérőt kell tennünk ésAzt mondani, hogy ma a kvantumszámításban van még egy nehézség a sorban – amíg fel nem találják a kvantum memóriát. Ezért a következő 10 évben a kvantumszámítás a klasszikus számítógépekkel együtt fog működni.
A stratégiai hosszú távú cél egy univerzális kvantumszámítógép létrehozása. Ehhez több mint 10 000 logikai qubitre, a több qubites kapuk megbízható vezérlésére és kvantum memóriára van szükség.
Mit változtatnak meg a kvantumszámítógépek?
— Nagyon sok problémát meg tudnak oldani— például a biotudományok számára. Jelenleg még közepesen összetett molekuláris vegyületeket sem tudunk modellezni. Ezért készítenek a tudósok szintetikus molekulákat és folyamatosan kísérleteznek. A szimulációkat erősen korlátozzák a molekuláris rendszerek mérete és a pontossági paraméterek. Emiatt tíz évbe telik egy új gyógyszer létrehozása. A kvantummechanikai rendszert szimulálni tudó kvantumszámítógép pedig radikálisan felgyorsítja a folyamatot.
Vagy most fehérje hajtogatással próbálkoznakRöntgensugarak, trükkös mágneses rezonanciák. És ha van kvantumszámítógép, az képes lesz szimulálni ezt a rendszert, és leegyszerűsítjük az életünket a gyógyszerek létrehozásában. Az űrrepülésekhez szükséges új anyagok, hajtóművek és szupravezető rendszerek fejlesztése is felgyorsul. Új elektrolitok lesznek az akkumulátorokhoz, amelyek 20 éve 200-250 Wh/kg szinten vannak tömegenkénti energiasűrűségben. Nem tehetünk jobbat, mert még nem modellezzük jól.
Lehetetlen egy interjúban mindent felsorolnia kvantumszámítógépek elképzelhető alkalmazásai. Még ha egyszerűen fel is tud gyorsítani néhány fontos műveleti folyamatot (például a Fourier-transzformációt), ez már komoly előrelépést jelent. És ez csak egy lépés egy univerzális kvantumszámítógép létrehozása felé. Ezért van ekkora felhajtás.
— De csak a tudomány keretein belül használhatók?
- Nem, semmiféle optimalizálásban - például ahol gráfelméletet használnak. Már most használják őket pénzügyi portfóliók, útvonalak és mesterséges intelligencia algoritmusok optimalizálására.
"A Qubits jó, de ez nem jelenti a számítás gyorsaságát és pontosságát"
- Vannak még olyan problémák, amelyek megoldása nem világos? Mi állíthatja meg a fejlődést?
- A fő a qubitek létrehozása nagybanszám és azok kötése, a teljes rendszer élettartama. Például, ha a rendszer élettartama 0,001 másodperc, akkor előfordulhat, hogy nincs ideje valami fontosat kiszámítani. Át kell gondolnunk, hogyan lehet megőrizni a számítások minőségét és méretezni.
Vegyük az IonQ céget – ők fektettek beelismert befektetési alapok a világ minden tájáról, sőt tőzsdére is került. Ionokkal rendszereket készítenek, és az a baj, hogy vannak ioncsapdák, de a befogható ionok számának van határa. És ki kell találnunk egy mechanizmust a csapdák összekapcsolására. Ezzel még mindig nagy gondok vannak – nagyban hátráltatja a rendszer méretezését. Más platformokon is hasonló súlyos problémák vannak.
Még mindig vannak problémák a felszereléssel - néha alattaa kvantumszámítógépeknek új eszközöket kell feltalálniuk. Például speciális optikák, lézerek, vákuumberendezések, kriogén kamrák. Sok probléma van, de ez a fejlődés útja – a mikroelektronika már túljutott rajta. Ez normális: az ipar minden új folyamathoz alkalmazkodik, és új vezetőképes fémeket és egyéb felfedezéseket talál ki. Csak hát az egész rendszer még az érettség korai szakaszában van.
A kvantumszámítógépek létrehozásának fő problémája a qubitek nagy számban történő létrehozása és azok összekapcsolása, a teljes rendszer élettartama
- Nem szakemberekként, akik érdeklődnekkvantumszámítógépek, hogy megértsük, egy új felfedezés valóban előrelépést jelent-e az iparág számára, vagy egy újabb hír a kattintások kedvéért? Mire kell figyelni? Például a qubitek száma mutató?
- Jobb, ha megpróbálod többet kitalálnimély szint. Ha egyáltalán nem érted, ezek a mércék nagyon felületesen felfedik a haladás lényegét, és néha félre is vezetnek. Mint például a qubitek számánál – ez tulajdonképpen jó is, de nem mondja meg, hogy a rendszer mennyit és milyen pontossággal tud kiszámolni.
Számomra fontos az egymáshoz kapcsolódó logikai qubitek száma, a számítás pontossága, a rendszer élettartama és a gyakorlati algoritmusok kiszámításának képessége.
- A kvantumszámítógépek fejlesztése hosszú idő,drága és nehéz. Ezért úgy tűnik, hogy nagyon korlátozott számú szervezet foglalkozik ezzel. Ez azt jelenti, hogy az ilyen eszközök csak a vállalatok és az államok javát szolgálják?
- Akik többé-kevésbé működő gépet készítettek,általában nyitott rá a felhőalapú hozzáférés. És írhatsz saját kvantumáramköreidet és számíthatsz algoritmusokat. Minden fejlesztő abban érdekelt, hogy növelje a kvantumszámítógépén elvégezhető gyakorlati feladatok számát, így a költségek csökkennek.
Az ágazati befektetések száma alapján meg lehet valósítania következtetés az, hogy van fejlődés. Ez egy közvetett paraméter – ha befektetők százai fektetnek be, és az iparág növekszik, az sokat beszél. 2019 óta pedig a beruházások száma növekszik – 300 millió dollárról 2,3 milliárd dollárra. Úgy tűnik, közel vagyunk a gyakorlatiassá váló megoldásokhoz.
De ugyanakkor csak 80 olyan szervezet létezikkvantumszámítógépeket készíteni. De a számok azt mutatják, hogy 1,5 milliárdot fektettek be hardverbe, ebből 12 cég vállalta az oroszlánrészt. Ide szakemberekre van szükség kvantumfizikában, matematikában, a mérnökökre nagy a kereslet. Érdekes tény: itt erősnek számít a szovjet iskola. Az ezen a területen tevékenykedő 260 cég közül sokval beszélgettünk – 20%-uk orosz mérnökök, fizikusok vagy matematikusok.
"A qubitek száma nem mondja meg, hogy a rendszer mennyit és milyen pontossággal tud kiszámítani"
"Az orosz tudósok 3-5 évvel le vannak maradva a világ tudósaihoz képest"
— És mi a helyzet az oroszországi kvantumtechnológiákkal?
- Nem jó.Oroszországnak van programja és ütemterve a kvantumtechnológiák fejlesztésére, mintegy 1 milliárd dolláros költségvetéssel 2024-ig. A program több ütemtervre oszlik: kvantumszámítás (a Rosatom felügyelete alatt), kommunikáció (Orosz Vasutak és Metrológiai Központ) és érzékelők (Rostec). A Gazprombank is benne van ebben az egész játékban, mert ők a fő befektető a kvantumközpontban. Például már megjelent egy speciális kvantumkommunikációs vonal Moszkva és Szentpétervár között – ez ma a kvantumkriptográfia fő protokollja.
Valószínűleg a kvantumszámítás fő szereplői az RCC, a FIAN és a Moszkvai Állami Egyetem.
Milyen fejlesztésekről érdemes beszélni?
- Az útiterv szerint kvantumot készítenekszámítógépek különböző platformokon - atomok, ionok, fotonok, szupravezetők. Érzésem szerint 3-5 évvel le vannak maradva a világcégekhez képest. De komoly személyzettel és hozzáállással rendelkeznek – biztosan kifejlesztenek valami hasznosat.
— A kutatók attól tartanak, hogy a technológia kicsúszik az irányítás alól? Próbálják már szabályozni?
- Még mindig úton vagyunk a szabályozás felé, miközben mindenki aggódikhardver létrehozása. Amint valami komoly dolog jelenik meg, korlátozás alá kerül. De mindenki félti az adatait. Például most már lehetséges kvantumtitkosítással biztonságossá tenni az adatokat, és csökkenteni annak a valószínűségét, hogy egy kvantumszámítógép képes lesz feltörni azokat. De ha valaki lemásolta az adatokat, és egy kvantumszámítógép megjelenésére vár, azt később vissza tudja fejteni. Most ez a fő gond.
Olvass tovább:
A katapult NASA műholdakat küld az égre
Óriási mágneses vihar közeledik a Föld felé
Teremtsd újra a Napot a Földön: hogyan oldották meg a fizikusok a termonukleáris fúzió fő problémáját