“Un computer classico scomporrà un numero in 2.048 bit in 1.000.000.000.000 di anni. Un computer quantistico - in 10 secondi"
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— La creazione di un computer quantistico è una delleproblemi fondamentali della fisica del XXI secolo. La scorsa settimana, anche il Premio Nobel è stato assegnato ai fisici per aver dimostrato l'entanglement quantistico, il principio alla base dei computer quantistici. Se conosci la legge di Moore (il numero di transistor su un chip del circuito integrato raddoppia ogni due anni - ndr), negli ultimi anni ha smesso di essere soddisfatto e anche i produttori di microprocessori si sono allontanati da una cosa come un tecnico processi. I nanometri, di cui tutti parlano ora, sono più una cosa di marketing.
Ora c'è un nuovo ramo di sviluppo nella litografia -ultravioletto estremo, dove brillano a una lunghezza d'onda di 13,5 nm. Questa è una lunghezza d'onda record che può essere ottenuta stabilmente e produrre chip nel limite di 2-3 nm, riducendo il limite di diffrazione con vari trucchi ottici. Ma cosa fare dopo non è chiaro. Un vicolo cieco è possibile nella riduzione dei transistor nell'orizzonte di 5-10 anni.
Daniela Shaposhnikov
È qui che la differenza fondamentale può aiutare.calcolo quantistico e classico. Quelli classici sono sequenziali e quelli quantistici ti consentono naturalmente di eseguire calcoli completamente paralleli. Cioè, ogni bit quantistico può calcolare in parallelo con gli altri bit quantistici del sistema. In questo caso, un bit può avere più stati contemporaneamente: essere sia zero che uno. O anche un sistema multi-livello, ma il mainstream ora è un qubit, ha due livelli. La potenza di calcolo cresce esponenzialmente con l'aggiunta di qubit al sistema (2n). E nel sistema usuale, cresce quadraticamente (n2).
La scienza moderna è allo stadio della comprensione,cos'è la meccanica quantistica. Tutte le leggi delle particelle, l'interazione degli atomi tra loro sono descritte dalle leggi della meccanica quantistica. Questa scienza è diversa da quella che l'ha preceduta. Ad esempio, nella meccanica quantistica esiste il principio di sovrapposizione, per cui la dimensione dello spazio degli stati cresce esponenzialmente.
Un computer classico non può farlo.simulare. Uno stesso computer quantistico è costruito su tali fenomeni ed è in grado di funzionare con tali sistemi. Inoltre, nel sistema della meccanica quantistica ci sono ampiezze di probabilità con numeri complessi: i computer ordinari non ce l'hanno.
Se prendiamo il problema di espandere un numero in2048 bit, quindi l'algoritmo classico lo scomporrà in mille passaggi e in 1.000.000.000.000 di anni. E l'algoritmo di Shor, se ci fosse un computer quantistico con il giusto numero di qubit, lo farebbe in 107 passaggi, circa 10 secondi. Finora non ci sono computer quantistici di questo tipo, ma quelli che sono già in grado di fare ciò che un computer classico richiederebbe un'enorme quantità di tempo per fare.
- I computer quantistici giustificheranno le speranze che sono già state riposte su di loro?
Capiamo prima cosa serve per creare un computer quantistico. Il fisico David di Vincenzo ha articolato correttamente cinque criteri fondamentali:
- Definisci cos'è un qubit. Sono diversi, oggi ci sono diverse piattaforme ben note: su atomi, ioni, superconduttori, fotoni.
- Essere in grado di introdurre un qubit in una sovrapposizione.Scopri come fare in modo che un qubit sia zero e uno contemporaneamente. In ciascuna delle piattaforme, l'introduzione alla sovrapposizione è un compito separato e ciò può essere fatto secondo diversi principi fisici.
- È necessario creare qubit e entanglement quantistico tra di loro, per poterli controllare, costruire porte basate su di essi.
- Mantenere questo stato coerente il più a lungo possibile.
- Effettua misurazioni sul nostro computer quantistico.
Dietro ognuno di questi fenomeni c’è molta ingegneriale difficoltà. Ad esempio, se misuri un qubit, il suo stato cambierà e non potrà essere clonato. Oppure il rumore, le onde elettromagnetiche e le particelle hanno un effetto negativo sul sistema, quindi la maggior parte delle piattaforme raffredda l'intero sistema a basse temperature per ridurre al minimo l'impatto del rumore e della polvere. Ma lavorare nella criogenia è molto più difficile. Tutto ciò complica la creazione di computer quantistici, quindi ora ci sono un massimo di circa 130 qubit. Ad esempio, IBM ha rilasciato un sistema a 128 qubit.
Ci sono molte complessità ingegneristiche dietro ogni fase dello sviluppo di un computer quantistico.
Ma non ci sono solo fisici, ma anche logiciqubit. Qual è la differenza? La precisione del calcolo quantistico dovrebbe essere di circa il 99,99999999999999%, quindi la consideriamo molto alta. Ma oggi oscilla dal 90 al 99%, questi sono parametri molto bassi, è difficile calcolare esattamente con il loro aiuto, la percentuale di errori sarà alta. Per raggiungere il livello desiderato, creano qubit logici, ovvero creano un qubit logico da un gran numero di qubit fisici, protocolli di correzione degli errori di programma, un algoritmo su di esso e si scopre che questo è un qubit con un'elevata precisione Vota.
Pertanto, se torniamo ai qubit fisici,di cui dovrebbe essere realizzato un computer quantistico: l'industria è in una fase iniziale, approssimativamente al livello di dieci qubit logici. Nei prossimi anni prevediamo che sarà possibile raggiungere il livello di cento qubit logici. Ciò consentirà già di fare cose interessanti: ottimizzazione dei percorsi, test clinici, creazione sintetica di dati clinici, approssimazione di simulazioni quantistiche, ottimizzazione dei portafogli finanziari. Per fare un confronto, per decifrare gli algoritmi RSA, sono necessari circa un migliaio di qubit logici.
Qui dobbiamo fare una piccola digressione ePer dire che oggi c'è un'altra difficoltà di seguito nell'informatica quantistica, fino all'invenzione della memoria quantistica. Pertanto, nei prossimi 10 anni, l’informatica quantistica funzionerà insieme ai computer classici.
L'obiettivo strategico a lungo termine è creare un computer quantistico universale. Ciò richiede più di 10.000 qubit logici, un controllo affidabile di porte multi-qubit e memoria quantistica.
Cosa cambieranno i computer quantistici?
— Possono risolvere una vasta gamma di problemi— ad esempio, per le bioscienze. Attualmente non possiamo modellare nemmeno composti molecolari moderatamente complessi. Ecco perché gli scienziati creano molecole sintetiche e sperimentano costantemente. Le simulazioni sono fortemente limitate dalle dimensioni dei sistemi molecolari e dai parametri di accuratezza. Per questo motivo, ci vogliono dieci anni per creare un nuovo farmaco. E un computer quantistico in grado di simulare un sistema quantomeccanico accelererà radicalmente il processo.
Oppure stanno cercando di piegare le proteine oraRaggi X, risonanze magnetiche complicate. E se c'è un computer quantistico, sarà in grado di simulare questo sistema e semplificheremo la nostra vita nella creazione di farmaci. Anche lo sviluppo di nuovi materiali per voli spaziali, motori e sistemi superconduttori accelererà. Ci saranno nuovi elettroliti per le batterie, che sono state al livello di 200-250 Wh per chilogrammo in termini di densità di energia per massa per 20 anni. Non possiamo fare di meglio, perché non modelliamo ancora bene.
È impossibile elencare tutto in una sola intervistaquelle applicazioni dei computer quantistici che possono essere immaginate. Anche se riuscisse semplicemente ad accelerare alcuni processi di operazioni importanti (come la trasformata di Fourier), questo sarebbe già un progresso serio. E questo è solo un passo verso la creazione di un computer quantistico universale. Ecco perché c'è tanto clamore.
— Ma possono essere utilizzati solo nell'ambito della scienza?
- No, in qualsiasi tipo di ottimizzazione, ad esempio quando viene utilizzata la teoria dei grafi. Sono già utilizzati per ottimizzare i portafogli finanziari, le rotte e ottimizzare gli algoritmi di intelligenza artificiale.
"I qubit sono buoni, ma questo non significa la velocità e l'accuratezza del calcolo"
- Ci sono altri problemi che non è chiaro come risolvere? Cosa può fermare il progresso?
- La principale è la creazione di qubit in formato largenumero e il loro legame, la durata dell'intero sistema. Ad esempio, se la durata del sistema è di 0,001 secondi, potresti non avere il tempo di calcolare qualcosa di importante. Dobbiamo pensare a come mantenere la qualità dei calcoli e ridimensionarli.
Prendiamo l'azienda IonQ: ci hanno investitorispettato fondi di investimento di tutto il mondo, è persino diventato pubblico. Realizzano sistemi con ioni e il problema è che ci sono trappole ioniche, ma c'è un limite al numero di ioni che possono essere catturati. E dobbiamo trovare un meccanismo per collegare le trappole tra loro. Ci sono ancora grossi problemi con questo: ostacola notevolmente il ridimensionamento del sistema. Altre piattaforme hanno problemi gravi simili.
Ci sono ancora problemi con l'attrezzatura, a volte sottoi computer quantistici devono inventare nuovi dispositivi. Ad esempio, ottiche speciali, laser, apparecchiature per il vuoto, camere criogeniche. Ci sono molti problemi, ma questo è il percorso di sviluppo: la microelettronica l'ha già superato. Questo è normale: l'industria si adatta a ogni nuovo processo e inventa nuovi metalli conduttivi e altre scoperte. È solo che l'intero sistema è ancora in una fase iniziale di maturità.
Il problema principale nella creazione di computer quantistici è la creazione di qubit in gran numero e il loro legame, la durata dell'intero sistema
- Come non specialisti interessaticomputer quantistici, per capire se una nuova scoperta è davvero un passo avanti per questo settore o un'altra novità per amore dei click? A cosa prestare attenzione? Ad esempio, il numero di qubit è un indicatore?
- È meglio cercare di capirlo di piùlivello profondo. Se non capisci affatto, questi benchmark riveleranno molto superficialmente l'essenza del progresso e talvolta ti inganneranno. Come, ad esempio, con il numero di qubit - in effetti, questo va bene, ma non dice quanto il sistema può calcolare e con quale precisione.
Per me sono importanti il numero di qubit logici interconnessi, l'accuratezza del calcolo, la durata del sistema e la capacità di calcolare algoritmi pratici.
— Lo sviluppo dei computer quantistici è lungo,costoso e difficile. Pertanto, sembra che un numero molto limitato di organizzazioni lo stia facendo. Questo significa che tali dispositivi funzioneranno solo a beneficio di aziende e stati?
- Chi ha realizzato una macchina più o meno funzionante,di solito aperto ad esso l'accesso al cloud. E puoi scrivere i tuoi circuiti quantistici e calcolare algoritmi. Ogni sviluppatore è interessato ad aumentare il numero di attività pratiche che possono essere eseguite sul proprio computer quantistico, quindi il costo è ridotto.
In base al numero di investimenti nel settore si possono farela conclusione è che ci sono progressi. Questo è un parametro indiretto: se centinaia di investitori investono e il settore cresce, questo la dice lunga. E dal 2019 il numero degli investimenti è in crescita: da 300 milioni a 2,3 miliardi di dollari. A quanto pare siamo vicini a soluzioni che diventeranno pratiche.
Ma allo stesso tempo ci sono solo 80 organizzazioni chefare computer quantistici. Ma le cifre dicono che 1,5 miliardi sono stati investiti in hardware, di questi, 12 aziende hanno fatto la parte del leone. Gli specialisti sono necessari qui in fisica quantistica, matematica, gli ingegneri sono molto richiesti. Un fatto interessante: qui la scuola sovietica è considerata forte. Abbiamo parlato con molte delle 260 aziende attive in questo campo - il 20% di loro ha ingegneri, fisici o matematici russi.
"Il numero di qubit non dice quanto il sistema può calcolare e con quale accuratezza"
"Gli scienziati russi sono 3-5 anni indietro rispetto agli scienziati mondiali"
— E che dire delle tecnologie quantistiche all'interno della Russia?
- Non proprio.La Russia ha un programma e una tabella di marcia per lo sviluppo di tecnologie quantistiche con un budget di circa 1 miliardo di dollari fino al 2024. Il programma è suddiviso in diverse tabelle di marcia: informatica quantistica (sotto la supervisione di Rosatom), comunicazioni (Ferrovie russe e Centro di metrologia) e sensori (Rostec). Anche Gazprombank è in tutto questo gioco, perché sono il principale investitore nel centro quantistico. Ad esempio, è già apparsa una speciale linea di comunicazione quantistica tra Mosca e San Pietroburgo: questo è il protocollo principale per la crittografia quantistica oggi.
Probabilmente i principali attori nel campo dell’informatica quantistica sono l’RCC, la FIAN e l’Università statale di Mosca.
Di quali sviluppi vale la pena parlare?
- Secondo la tabella di marcia, fanno il quantumcomputer su piattaforme diverse: atomi, ioni, fotoni, superconduttori. Secondo i miei sentimenti, sono 3-5 anni indietro rispetto alle aziende mondiali. Ma hanno uno staff e un approccio seri: svilupperanno sicuramente qualcosa di utile.
— I ricercatori hanno paura che la tecnologia vada fuori controllo? Stanno già cercando di regolamentarlo?
- Siamo ancora sulla via della regolamentazione, mentre tutti sono preoccupaticreazione di hardware. Non appena appare qualcosa di serio, ci saranno delle restrizioni. Ma tutti hanno paura per i propri dati. Ad esempio, ora è possibile proteggere i dati con la crittografia quantistica e ridurre la probabilità che un computer quantistico sia in grado di decifrarli. Ma se qualcuno ha copiato i dati e sta aspettando che appaia un computer quantistico, sarà in grado di decifrarli in seguito. Ora questa è la preoccupazione principale.
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