「古典的なコンピューターは、10 億年で 2048 ビットに分解します。量子コンピューター - 10秒で」
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— 量子コンピューターの作成は、XXI世紀の物理学の基本的な問題。先週、量子コンピューターの背後にある原理である量子エンタングルメントを実証した物理学者にノーベル賞さえ与えられました。ムーアの法則 (集積回路チップ上のトランジスタの数は 2 年ごとに 2 倍になる - ed.) について知っていれば、近年ではそれが実現されなくなり、マイクロプロセッサの製造業者でさえ、技術的なものなどから遠ざかっています。処理する。いま話題になっているナノメートルは、どちらかというとマーケティング的なものです。
現在、リソグラフィの新しい開発ブランチがあります -13.5 nmの波長で光る極紫外線。これは、安定して得られる記録的な波長であり、さまざまな光のトリックで回折限界を減らし、2-3 nm の限界でチップを作成します。しかし、次に何をすべきかは不明です。 5〜10年の地平線上でトランジスタの削減に行き詰まりが生じる可能性があります。
ダニラ・シャポシニコフ
ここで、根本的な違いが役に立ちます。量子コンピューティングと古典コンピューティング。古典的なものは逐次的であり、量子的なものは自然に完全な並列計算を行うことができます。つまり、各量子ビットは、システムの他の量子ビットと並行して計算できます。この場合、ビットは同時に複数の状態を持つことができます - 0 と 1 の両方です。または、マルチレベル システムでさえありますが、現在の主流は量子ビットであり、2 つのレベルがあります。コンピューティング能力は、システムに量子ビットを追加することで指数関数的に増加します (2n)。そして、通常のシステムでは、二次関数 (n2) で成長します。
現代科学は理解の段階にあり、量子力学とは。粒子のすべての法則、原子同士の相互作用は、量子力学の法則によって記述されます。この科学はそれ以前のものとは異なります。たとえば、量子力学には、状態空間の次元が指数関数的に増加する重ね合わせの原理があります。
古典的なコンピューターではそれができません。シミュレートします。量子コンピューター自体は、そのような現象に基づいて構築されており、そのようなシステムで動作することができます。さらに、量子力学系には複素数の確率振幅があります - 通常のコンピュータにはこれがありません。
ある数を展開する問題を取ると、2048 ビットの場合、従来のアルゴリズムはそれを 1,000,000,000,000 年で 1000 ステップで分解します。そしてショールのアルゴリズムは、適切な数のキュービットを備えた量子コンピューターがあれば、107 ステップ (約 10 秒) でそれを実行します。これまでのところ、そのような量子コンピューターはありませんが、古典的なコンピューターが行うのに膨大な時間がかかることをすでに実行できる量子コンピューターはあります。
- 量子コンピューターは、すでに期待されている期待を正当化するでしょうか?
まず、量子コンピューターを作成するために何が必要かを理解しましょう。物理学者の David di Vincenzo は、次の 5 つの基本的な基準を正しく説明しました。
- 量子ビットとは何かを定義します。今日では、原子、イオン、超伝導体、光子など、よく知られているプラットフォームがいくつかあります。
- 量子ビットを重ね合わせに導入できる。キュービットを同時に 0 と 1 の両方にする方法を理解します。各プラットフォームでは、重ね合わせの導入は個別のタスクであり、これはさまざまな物理原理によって行うことができます。
- 量子ビットとそれらの間の量子もつれを作成し、それらを制御し、それらに基づいてゲートを構築できるようにする必要があります。
- この一貫した状態をできるだけ長く維持します。
- 私たちの量子コンピューターで測定を行います。
これらのそれぞれの現象の背後には、多くのエンジニアリングが存在します。困難。たとえば、量子ビットを測定すると、その状態が変化し、クローンを作成できなくなります。あるいは、ノイズ、電磁波、粒子などがシステムに悪影響を与えるため、ほとんどのプラットフォームではシステム全体を低温に冷却して、ノイズや塵埃の影響を最小限に抑えています。しかし、極低温での作業ははるかに困難です。これらすべてが量子コンピューターの作成を複雑にするため、現在は最大約 130 量子ビットがあります。たとえば、IBM は 128 量子ビット システムをリリースしました。
量子コンピューターの開発のすべてのステップの背後には、多くの工学的複雑性があります。
しかし、物理的なものだけでなく、論理的なものもありますキュービット。違いはなんですか？量子コンピューティングの精度は約 99.9999999999999% である必要があり、非常に高いと考えられます。しかし、今日では 90% から 99% に変動しています。これらは非常に低いパラメータであり、正確に計算することは難しく、エラーの割合が高くなります。望ましいレベルを達成するために、彼らは論理量子ビットを作成します。つまり、多数の物理量子ビットから1つの論理量子ビットを作成し、エラー訂正プロトコル、アルゴリズムをプログラムし、これが高精度の1つの量子ビットであることがわかりますレート。
したがって、物理量子ビットに戻ると、量子コンピューターはどれから作られるべきか - 業界は初期段階にあり、およそ 10 論理量子ビットのレベルにあります。今後数年間で、100 論理量子ビットのレベルが達成可能になると予想されます。これにより、ルートの最適化、臨床試験、臨床データの合成作成、量子シミュレーションの近似、財務ポートフォリオの最適化など、興味深いことがすでに可能になります。比較のために、RSA アルゴリズムを解読するには、約 1,000 個の論理量子ビットが必要です。
ここで少し脱線する必要がありますが、今日の量子コンピューティングでは、量子メモリが発明されるまで、さらなる困難が連続しています。したがって、今後 10 年間で、量子コンピューティングは古典的なコンピューターと連携して機能することになります。
戦略的な長期目標は、万能の量子コンピューターを作成することです。これには、10,000 を超える論理量子ビット、マルチ量子ビット ゲートの信頼性の高い制御、および量子メモリが必要です。
量子コンピューターは何を変えるのか?
— 膨大な範囲の問題を解決できる— たとえば、生物科学の場合。現在、中程度に複雑な分子化合物でさえモデル化することはできません。だからこそ科学者は合成分子を作り、常に実験を続けているのです。シミュレーションは、分子システムのサイズと精度パラメーターによって大きく制限されます。このため、新薬ができるまでには10年かかります。そして、量子力学システムをシミュレートできる量子コンピューターは、このプロセスを根本的にスピードアップします。
または、彼らは今、タンパク質の折り畳みをしようとしていますX線、トリッキーな磁気共鳴。そして、量子コンピューターがあれば、このシステムをシミュレートできるようになり、薬を作る生活が簡素化されます。宇宙飛行、エンジン、超電導システム用の新材料の開発も加速します。 20 年間、質量あたりのエネルギー密度で 200 ～ 250 Wh/kg のレベルであったバッテリー用の新しい電解液が登場します。まだうまくモデリングできていないので、これ以上のことはできません。
1回のインタビューですべてを説明することさえ不可能です想像できる量子コンピューターの応用例。重要な演算 (フーリエ変換など) のいくつかのプロセスを単純に高速化できたとしても、これはすでに重大な進歩となります。そして、これは万能量子コンピューターの構築に向けた一歩にすぎません。だからこそ、このような誇大宣伝が行われているのです。
— でも、それらは科学の範囲内でのみ使用できます?
- いいえ、あらゆる種類の最適化で - たとえば、グラフ理論が使用されている場合。それらは、金融ポートフォリオ、ルートの最適化、および AI アルゴリズムの最適化にすでに使用されています。
「量子ビットは優れていますが、これは計算の速度と精度を意味するものではありません」
- 他に、解決方法が明確でない問題はありますか?何が進歩を止めることができますか？
- 主なものは、大規模なキュービットの作成です数とその結合、システム全体の寿命。たとえば、システムの有効期間が 0.001 秒の場合、重要なことを計算する時間がない可能性があります。計算の質を維持し、スケールする方法を考える必要があります。
IonQという会社を取り上げましょう-彼らはそれに投資しました世界中の投資ファンドから高く評価され、上場も果たしました。イオンでシステムを作っているのですが、問題はイオントラップがあるのですが、捕まえられるイオンの数には限りがあります。そして、トラップを相互にリンクするためのメカニズムを考え出す必要があります。これにはまだ大きな問題があります - システムのスケーリングを大きく妨げます。他のプラットフォームにも同様の深刻な問題があります。
機器にはまだ問題があります - 時には下にあります量子コンピューターは新しいデバイスを発明する必要があります。たとえば、特殊な光学系、レーザー、真空装置、極低温チャンバーなどです。多くの問題がありますが、これが開発の道です。マイクロエレクトロニクスはすでにそれを通過しています。これは正常です。業界はそれぞれの新しいプロセスに適応し、新しい導電性金属やその他の発見を発明します。システム全体がまだ成熟の初期段階にあるというだけです。
量子コンピューターを作成する際の主な問題は、大量の量子ビットの作成とそれらの結合、システム全体の寿命です。
- 興味のある非専門家として量子コンピューター、新しい発見が本当にこの業界の一歩前進なのか、それともクリックのための別のニュースなのかを理解するために?何に注意を払うべきですか？たとえば、量子ビットの数は指標ですか?
- もっと調べてみたほうがいい深いレベル。まったく理解していない場合、これらのベンチマークは進歩の本質を非常に表面的に明らかにし、誤解を招くことさえあります.たとえば、キュービットの数と同様に、実際にはこれは良いことですが、システムがどれだけの精度で計算できるかはわかりません。
私にとって、相互接続された論理量子ビットの数、計算の精度、システムの寿命、および実用的なアルゴリズムを計算する能力が重要です。
— 量子コンピューターの開発は長い年月をかけて、高価で難しい。したがって、これを行っている組織は非常に限られているようです。これは、そのようなデバイスが企業や国家の利益のためにのみ機能することを意味しますか?
- 多かれ少なかれ動く機械を作った人、通常は、クラウドへのアクセスが可能です。また、独自の量子回路を記述してアルゴリズムを計算することもできます。各開発者は、量子コンピューターで実行できる実用的なタスクの数を増やすことに関心があるため、コストが削減されます。
セクターへの投資数に基づいて、次のことが可能です。結論としては進歩があるということです。これは間接的なパラメーターです。何百人もの投資家が投資し、業界が成長した場合、これは雄弁に物語ります。そして 2019 年以降、投資額は 3 億ドルから 23 億ドルへと増加しており、実用化されるソリューションに近づいているようです。
しかし同時に、そのような組織は 80 しかありません。量子コンピューターを作る。しかし、数字によると、15 億ドルがハードウェアに投資され、そのうち 12 社が最大のシェアを獲得しました。ここでは量子物理学、数学のスペシャリストが必要であり、エンジニアは非常に需要があります。興味深い事実：ここではソビエトの学校が強いと考えられています。私たちは、この分野で活動している 260 の企業の多くと話をしました。そのうちの 20% には、ロシアのエンジニア、物理学者、または数学者がいます。
「キュービットの数は、システムがどれだけの精度で計算できるかを示しているわけではありません」
「ロシアの科学者は世界の科学者より3～5年遅れている」
— そして、ロシア国内の量子技術はどうですか?
- あまり。ロシアには、2024 年までに約 10 億ドルの予算で量子技術を開発するためのプログラムとロードマップがあります。このプログラムは、量子コンピューティング (Rosatom が監督)、通信 (ロシア鉄道および計測センター)、センサー (Rostec) など、いくつかのロードマップに分かれています。ガスプロム銀行も、量子センターの主な投資家であるため、このゲーム全体に参加しています。たとえば、モスクワとサンクトペテルブルクの間の特別な量子通信回線はすでに登場しており、これが今日の量子暗号の主要なプロトコルです。
おそらく量子コンピューティングの主役は、RCC、FIAN、モスクワ州立大学でしょう。
彼らはどのような進展について話す価値がありますか?
- ロードマップによると、彼らは量子を作ります原子、イオン、光子、超伝導体など、さまざまなプラットフォーム上のコンピューター。私の感覚では、彼らは世界の企業より3～5年遅れています。しかし、彼らには真面目なスタッフとアプローチがあります-彼らは間違いなく何か役立つものを開発します.
— 研究者は、技術が制御不能になることを恐れていますか?彼らはすでにそれを規制しようとしていますか？
・まだまだ規制の途中、皆様にご心配をおかけしておりますハードウェアの作成。深刻な事態が発生するとすぐに、制限がかかってきます。しかし、誰もが自分のデータを恐れています。たとえば、量子暗号でデータを保護し、量子コンピューターがデータを解読できる可能性を減らすことができるようになりました。しかし、誰かがデータをコピーして量子コンピューターの出現を待っている場合、後で解読できるようになります。今、これが主な関心事です。
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