"מחשב קלאסי יפרק מספר ל-2,048 סיביות תוך 1,000,000,000,000 שנים. מחשב קוונטי - תוך 10 שניות"
—
- יצירת מחשב קוונטי היא אחת מהןבעיות יסוד של הפיזיקה של המאה ה-XXI. בשבוע שעבר, אפילו פרס נובל ניתן לפיסיקאים על הדגמת הסתבכות קוונטית, העיקרון מאחורי מחשבים קוונטיים. אם אתה יודע על חוק מור (מספר הטרנזיסטורים בשבב מעגל משולב מוכפל כל שנתיים - עורך), אז בשנים האחרונות הוא הפסיק להתממש, ואפילו יצרני מיקרו-מעבדים התרחקו מדבר כזה כמו טכנית תהליך. ננומטרים, שכולם מדברים עליהם עכשיו, הם יותר עניין שיווקי.
עכשיו יש ענף פיתוח חדש בליתוגרפיה -אולטרה סגול קיצוני, שבו הם זורחים באורך גל של 13.5 ננומטר. זהו אורך גל שיא שניתן להשיג בצורה יציבה וליצור שבבים במגבלה של 2-3 ננומטר, מה שמפחית את מגבלת העקיפה בעזרת טריקים אופטיים שונים. אבל מה לעשות הלאה לא ברור. מבוי סתום אפשרי בהפחתת טרנזיסטורים באופק של 5-10 שנים.
דנילה שפושניקוב
כאן ההבדל המהותי יכול לעזור.מחשוב קוונטי וקלאסי. הקלאסיים הם עוקבים, וקוונטיים מאפשרים לך לבצע חישובים מקבילים לחלוטין. כלומר, כל סיבית קוונטית יכולה לחשב במקביל לסיביות הקוונטיות האחרות של המערכת. במקרה זה, לביט יכולים להיות מספר מצבים בו-זמנית - להיות גם אפס וגם אחד. או אפילו מערכת מרובת רמות, אבל המיינסטרים עכשיו הוא קיוביט, יש לו שתי רמות. כוח המחשוב גדל באופן אקספוננציאלי עם הוספת קיוביטים למערכת (2n). ובמערכת הרגילה, הוא גדל באופן ריבועי (n2).
המדע המודרני נמצא בשלב של הבנה,מהי מכניקת הקוונטים. כל חוקי החלקיקים, האינטראקציה של אטומים זה עם זה מתוארת על ידי חוקי מכניקת הקוונטים. המדע הזה שונה ממה שהגיע לפניו. לדוגמה, במכניקת הקוונטים קיים עקרון הסופרפוזיציה, שבגללו ממד מרחב המצב גדל באופן אקספוננציאלי.
מחשב קלאסי פשוט לא יכול לעשות את זה.לְחַקוֹת. מחשב קוונטי עצמו בנוי על תופעות כאלה ומסוגל לעבוד עם מערכות כאלה. בנוסף, במערכת המכאנית הקוונטית יש אמפליטודות של הסתברות עם מספרים מרוכבים - למחשבים רגילים אין את זה.
אם ניקח את הבעיה של הרחבת מספר כלשהו לתוך2048 סיביות, אז האלגוריתם הקלאסי יפרק אותו באלף שלבים ובעוד 1,000,000,000,000 שנים. והאלגוריתם של שור, אם היה מחשב קוונטי עם המספר הנכון של קיוביטים, היה עושה את זה ב-107 שלבים - בערך 10 שניות. עד כה, אין מחשבים קוונטיים כאלה, אבל כאלה שכבר מסוגלים לעשות את מה שלמחשב קלאסי ייקח הרבה זמן לעשות.
- האם מחשבים קוונטיים יצדיקו את התקוות שכבר נתנו בהם?
בואו נבין תחילה מה נדרש כדי ליצור מחשב קוונטי. הפיזיקאי דיוויד די וינצ'נזו ניסח נכון חמישה קריטריונים בסיסיים:
- הגדר מה זה קיוביט. הם שונים, היום יש כמה פלטפורמות ידועות - על אטומים, יונים, מוליכים, פוטונים.
- להיות מסוגל להכניס קיוביט לסופרפוזיציה.הבן כיצד להפוך קיוביט להיות גם אפס וגם אחד בו-זמנית. בכל אחת מהפלטפורמות, ההקדמה לסופרפוזיציה היא משימה נפרדת, וניתן לעשות זאת על פי עקרונות פיזיקליים שונים.
- יש צורך ליצור קיוביטים והסתבכות קוונטית ביניהם, להיות מסוגל לשלוט בהם, לבנות שערים על בסיסם.
- שמור על מצב קוהרנטי זה זמן רב ככל האפשר.
- בצע מדידות במחשב הקוונטי שלנו.
מאחורי כל אחת מהתופעות הללו יש הרבה הנדסהקשיים. לדוגמה, אם אתה מודד קיוביט, המצב שלו ישתנה ולא ניתן לשכפל אותו. או לרעש, לגלים אלקטרומגנטיים, לחלקיקים יש השפעה רעה על המערכת, ולכן רוב הפלטפורמות מקררות את המערכת כולה לטמפרטורות נמוכות כדי למזער את השפעת הרעש והאבק. אבל העבודה בקריוגניקה היא הרבה יותר קשה. כל זה מסבך את היצירה של מחשבים קוונטיים, כך שכעת יש מקסימום כ-130 קיוביטים. לדוגמה, IBM הוציאה מערכת של 128 קיוביטים.
ישנן מורכבויות הנדסיות רבות מאחורי כל שלב בפיתוח של מחשב קוונטי.
אבל יש לא רק פיזי, אלא גם הגיוניקיוביטים. מה ההבדל? הדיוק של מחשוב קוונטי צריך להיות בסדר גודל של 99.9999999999999% - ואז אנו רואים אותו כגבוה מאוד. אבל היום זה צף מ-90 ל-99%, אלו פרמטרים נמוכים מאוד, קשה לחשב בדיוק בעזרתם, אחוז השגיאות יהיה גבוה. כדי להגיע לרמה הרצויה הם עושים קיוביט לוגי, כלומר יוצרים קיוביט לוגי אחד ממספר רב של קיוביטים פיזיים, פרוטוקולים לתיקון שגיאות תוכנה, אלגוריתם עליו, ומסתבר שמדובר בקיוביט אחד עם דיוק גבוה ציון.
לכן, אם נחזור לקיוביטים פיזיים,מהם צריך לעשות מחשב קוונטי - התעשייה נמצאת בשלב מוקדם, בערך ברמה של עשרה קיוביטים לוגיים. בשנים הקרובות אנו מצפים שתהיה השגה רמה של מאה קיוביטים לוגיים. זה כבר יאפשר לעשות דברים מעניינים - אופטימיזציה של מסלולים, בדיקות קליניות, יצירה סינתטית של נתונים קליניים, קירוב של סימולציות קוונטיות, אופטימיזציה של תיקים פיננסיים. לשם השוואה, כדי לפצח אלגוריתמי RSA, אתה צריך כאלף קיוביטים לוגיים.
כאן אנחנו צריכים לעשות סטייה קטנה ולומר שהיום במחשוב קוונטי יש עוד קושי אחד ברצף - עד שיומצא הזיכרון הקוונטי. לכן, ב-10 השנים הבאות, המחשוב הקוונטי יעבוד בשילוב עם מחשבים קלאסיים.
המטרה האסטרטגית לטווח ארוך היא ליצור מחשב קוונטי אוניברסלי. זה דורש יותר מ-10,000 קיוביטים לוגיים, שליטה אמינה בשערים מרובי קיוביטים וזיכרון קוונטי.
מה ישתנו מחשבי קוונטים?
- הם יכולים לפתור מגוון עצום של בעיות- לדוגמה, למדעי הביו. נכון לעכשיו, איננו יכולים לדגמן אפילו תרכובות מולקולריות מורכבות במידה בינונית. זו הסיבה שמדענים מייצרים מולקולות סינתטיות ומתנסים כל הזמן. סימולציות מוגבלות מאוד על ידי גודלן של מערכות מולקולריות ופרמטרים של דיוק. בגלל זה, לוקח עשר שנים ליצור תרופה חדשה. ומחשב קוונטי שיכול לדמות מערכת מכאנית קוונטית יאיץ את התהליך באופן קיצוני.
או שהם מנסים לעשות קיפול חלבון עכשיוקרני רנטגן, תהודה מגנטית מסובכת. ואם יש מחשב קוונטי, הוא יוכל לדמות את המערכת הזו, ואנחנו נפשט את החיים שלנו ביצירת תרופות. הפיתוח של חומרים חדשים לטיסות חלל, מנועים ומערכות מוליכות-על יואץ אף הוא. יהיו אלקטרוליטים חדשים לסוללות, שנמצאים ברמה של 200-250 וואט לקילוגרם מבחינת צפיפות אנרגיה למסה כבר 20 שנה. אנחנו לא יכולים לעשות יותר טוב, כי אנחנו עדיין לא מדגמנים טוב.
אי אפשר אפילו לרשום הכל בראיון אחדאותם יישומים של מחשבים קוונטיים שאפשר לדמיין. גם אם הוא יכול פשוט להאיץ כמה תהליכים של פעולות חשובות (כגון טרנספורמציה של פורייה), זו כבר תהיה התקדמות רצינית. וזהו רק צעד אחד לקראת יצירת מחשב קוונטי אוניברסלי. בגלל זה יש כזה הייפ.
- אבל ניתן להשתמש בהם רק בגבולות המדע?
- לא, בכל סוג של אופטימיזציה - למשל, כאשר משתמשים בתורת הגרפים. הם כבר נמצאים בשימוש כדי לייעל תיקים פיננסיים, מסלולים ואופטימיזציה של אלגוריתמי AI.
"קווביטים טובים, אבל זה לא אומר את המהירות והדיוק של החישוב"
- האם יש עוד בעיות שלא ברור איך לפתור? מה יכול לעצור את ההתקדמות?
- העיקרי שבהם הוא יצירת קיוביטים בגדולמספר וקשירתם, משך החיים של המערכת כולה. לדוגמה, אם אורך חיי המערכת הוא 0.001 שניות, ייתכן שלא יהיה לך זמן לחשב משהו חשוב. אנחנו צריכים לחשוב איך לשמור על איכות החישובים ולהגדיל אותם.
ניקח את חברת IonQ - הם השקיעו בהקרנות השקעה מכובדות מכל העולם, היא אפילו יצאה לציבור. הם מייצרים מערכות עם יונים, והבעיה היא שיש מלכודות יונים, אבל יש גבול למספר היונים שאפשר לתפוס. ואנחנו צריכים להמציא מנגנון לקישור מלכודות זו לזו. עדיין יש בעיות גדולות עם זה - זה מאוד מעכב את קנה המידה של המערכת. לפלטפורמות אחרות יש בעיות חמורות דומות.
עדיין יש בעיות עם הציוד - לפעמים מתחתמחשבים קוונטיים צריכים להמציא מכשירים חדשים. לדוגמה, אופטיקה מיוחדת, לייזרים, ציוד ואקום, תאי קריוגניים. יש הרבה בעיות, אבל זו דרך הפיתוח – המיקרואלקטרוניקה כבר עברה אותה. זה נורמלי: התעשייה מסתגלת לכל תהליך חדש וממציאה מתכות מוליכות חדשות ותגליות אחרות. רק שהמערכת כולה עדיין בשלב מוקדם של בשלות.
הבעיה העיקרית ביצירת מחשבים קוונטיים היא יצירת קיוביטים במספרים גדולים וקשירתם, משך החיים של המערכת כולה
- בתור לא מומחים שמתענייניםמחשבים קוונטיים, להבין האם תגלית חדשה היא באמת צעד קדימה עבור התעשייה הזו או ידיעה אחרת למען הקליקים? למה לשים לב? לדוגמה, האם מספר הקיוביטים הוא אינדיקטור?
- עדיף לנסות להבין את זה על יותררמה עמוקה. אם אינך מבין כלל, אמות המידה הללו יחשפו בצורה מאוד שטחית את מהות הקידמה, ולפעמים אפילו יטעו אותך. כמו למשל עם מספר הקיוביטים - למעשה זה טוב, אבל זה לא אומר כמה המערכת יכולה לחשב ובאיזה דיוק.
עבורי חשובים מספר הקיוביטים הלוגיים המחוברים זה לזה, דיוק החישוב, משך החיים של המערכת והיכולת לחשב אלגוריתמים מעשיים.
- הפיתוח של מחשבי קוונטים הוא זמן רב,יקר וקשה. לכן, נראה שמספר מצומצם מאוד של ארגונים עושים זאת. האם זה לא אומר שמכשירים כאלה יפעלו רק לטובת תאגידים ומדינות?
- אלה שיצרו מכונה עובדת פחות או יותר,בדרך כלל פתוח אליו גישה לענן. ואתה יכול לכתוב מעגלים קוונטיים משלך ולחשב אלגוריתמים. כל מפתח מעוניין להגדיל את מספר המשימות המעשיות שניתן לבצע במחשב הקוונטי שלו, כך שהעלות מופחתת.
בהתבסס על מספר ההשקעות במגזר, ניתן לבצעהמסקנה היא שיש התקדמות. זה פרמטר עקיף - אם מאות משקיעים משקיעים והענף יגדל, זה מדבר רבות. ומאז 2019, מספר ההשקעות הולך וגדל - מ-300 מיליון דולר ל-2.3 מיליארד דולר, ככל הנראה, אנו קרובים לפתרונות שיהפכו למעשיים.
אבל במקביל יש רק 80 ארגונים כאלהלעשות מחשבים קוונטיים. אבל הנתונים אומרים שבחומרה הושקעו 1.5 מיליארד, מתוכם 12 חברות לקחו את חלק הארי. דרושים כאן מומחים בפיזיקה קוונטית, מתמטיקה, מהנדסים מבוקשים מאוד. עובדה מעניינת: האסכולה הסובייטית נחשבת כאן חזקה. שוחחנו עם רבות מ-260 החברות הפעילות בתחום הזה - ל-20% מהן יש מהנדסים, פיזיקאים או מתמטיקאים רוסים.
"מספר הקיוביטים לא אומר כמה המערכת יכולה לחשב ובאיזה דיוק"
"מדענים רוסים נמצאים בפיגור של 3-5 שנים מהמדענים בעולם"
- ומה לגבי טכנולוגיות קוונטיות בתוך רוסיה?
- לא באמת.לרוסיה יש תוכנית ומפת דרכים לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות בתקציב של כמיליארד דולר עד 2024. התוכנית מחולקת למספר מפות דרכים - מחשוב קוונטי (בפיקוח של Rosatom), תקשורת (רכבות רוסיה והמרכז למטרולוגיה) וחיישנים (Rostec). גם גזפרומבנק נמצא בכל המשחק הזה, כי הם המשקיעים העיקריים במרכז הקוונטי. לדוגמה, קו תקשורת קוונטי מיוחד בין מוסקבה לסנט פטרסבורג כבר הופיע - זה הפרוטוקול העיקרי להצפנה קוונטית כיום.
ככל הנראה השחקנים העיקריים במחשוב קוונטי הם RCC, FIAN ואוניברסיטת מוסקבה.
על אילו התפתחויות כדאי לדבר?
- לפי מפת הדרכים, הם מייצרים קוונטיםמחשבים על פלטפורמות שונות - אטומים, יונים, פוטונים, מוליכים. לפי הרגשות שלי, הם נמצאים 3-5 שנים אחרי החברות בעולם. אבל יש להם צוות וגישה רציניים - הם בהחלט יפתחו משהו שימושי.
— החוקרים חוששים שהטכנולוגיה תצא משליטה? האם הם מנסים להסדיר את זה כבר?
- אנחנו עדיין בדרך לרגולציה, בעוד כולם מודאגיםיצירת חומרה. ברגע שמשהו רציני יופיע, זה יגיע להגבלות. אבל כולם חוששים לנתונים שלהם. לדוגמה, כעת ניתן לאבטח נתונים בהצפנה קוונטית ולהפחית את הסבירות שמחשב קוונטי יצליח לפצח אותם. אבל אם מישהו העתיק את הנתונים ומחכה שיופיע מחשב קוונטי, הוא יוכל לפענח אותם מאוחר יותר. עכשיו זה החשש העיקרי.
קרא עוד:
קטפולטה שולחת לוויינים של נאס"א לשמיים
סערה מגנטית ענקית מתקרבת לכדור הארץ
צור מחדש את השמש על פני כדור הארץ: כיצד פתרו פיזיקאים את הבעיה העיקרית של היתוך תרמו-גרעיני