„Klasikinis kompiuteris išskaidys skaičių į 2 048 bitus per 1 000 000 000 000 metų. Kvantinis kompiuteris – per 10 sekundžių
—
— Kvantinio kompiuterio sukūrimas yra vienas išPagrindinės XXI amžiaus fizikos problemos. Praėjusią savaitę net Nobelio premija buvo įteikta fizikai už kvantinio susipynimo, kvantinių kompiuterių principo, demonstravimą. Jei žinote apie Moore'o dėsnį (tranzistorių skaičius integrinio grandyno luste kas dvejus metus padvigubėja – red.), tai pastaraisiais metais jis nustojo būti vykdomas, o net mikroprocesorių gamintojai nutolo nuo tokio dalyko kaip techninis. procesas. Nanometrai, apie kuriuos dabar visi kalba, yra daugiau rinkodaros dalykas.
Dabar yra nauja litografijos plėtros šaka -ekstremalūs ultravioletiniai spinduliai, kur jie šviečia 13,5 nm bangos ilgiu. Tai rekordinis bangos ilgis, kurį galima gauti stabiliai ir pagaminti lustus 2-3 nm ribose, sumažinant difrakcijos ribą įvairiais optiniais triukais. Tačiau ką daryti toliau, neaišku. Tranzistorių mažinimo aklavietė galima 5-10 metų horizonte.
Danila Šapošnikovas
Čia gali padėti esminis skirtumas.kvantinė ir klasikinė kompiuterija. Klasikiniai yra nuoseklūs, o kvantiniai natūraliai leidžia atlikti visiškai lygiagrečius skaičiavimus. Tai reiškia, kad kiekvienas kvantinis bitas gali skaičiuoti lygiagrečiai su kitais sistemos kvantiniais bitais. Šiuo atveju bitas vienu metu gali turėti kelias būsenas – būti ir nulis, ir viena. Ar net kelių lygių sistema, bet pagrindinė dabar yra qubit, ji turi du lygius. Skaičiavimo galia auga eksponentiškai, pridedant kubitus prie sistemos (2n). O įprastoje sistemoje jis auga kvadratiškai (n2).
Šiuolaikinis mokslas yra supratimo stadijoje,kas yra kvantinė mechanika. Visus dalelių dėsnius, atomų tarpusavio sąveiką apibūdina kvantinės mechanikos dėsniai. Šis mokslas skiriasi nuo to, kas buvo anksčiau. Pavyzdžiui, kvantinėje mechanikoje egzistuoja superpozicijos principas, dėl kurio būsenos erdvės matmuo auga eksponentiškai.
Klasikinis kompiuteris to tiesiog negali.imituoti. Pats kvantinis kompiuteris yra sukurtas remiantis tokiais reiškiniais ir gali dirbti su tokiomis sistemomis. Be to, kvantinėje mechaninėje sistemoje yra tikimybių amplitudės su kompleksiniais skaičiais - paprasti kompiuteriai to neturi.
Jei paimtume problemą išplėsti tam tikrą skaičių į2048 bitai, tada klasikinis algoritmas jį išskaidys tūkstančiu žingsnių ir per 1 000 000 000 000 metų. O Šoro algoritmas, jei būtų kvantinis kompiuteris su reikiamu kubitų skaičiumi, tai padarytų 107 žingsniais – apie 10 sekundžių. Kol kas tokių kvantinių kompiuterių nėra, bet tie, kurie jau gali padaryti tai, ką klasikinis kompiuteris užtruktų labai daug laiko.
– Ar kvantiniai kompiuteriai pateisins į juos jau dedamas viltis?
Pirmiausia išsiaiškinkime, ko reikia norint sukurti kvantinį kompiuterį. Fizikas Davidas di Vincenzo teisingai suformulavo penkis pagrindinius kriterijus:
- Apibrėžkite, kas yra kubitas. Jie skirtingi, šiandien yra kelios gerai žinomos platformos – ant atomų, jonų, superlaidininkų, fotonų.
- Gebėti įvesti kubitą į superpoziciją.Supraskite, kaip padaryti, kad kubitas būtų ir nulis, ir vienas tuo pačiu metu. Kiekvienoje platformoje superpozicijos supažindinimas yra atskira užduotis, kurią galima atlikti skirtingais fiziniais principais.
- Tarp jų būtina sukurti kubitus ir kvantinį susipynimą, mokėti juos valdyti, pagal juos statyti vartus.
- Išlaikykite šią darnią būseną kuo ilgiau.
- Atlikite matavimus mūsų kvantiniame kompiuteryje.
Už kiekvieno iš šių reiškinių slypi daug inžinerijossunkumų. Pavyzdžiui, jei išmatuosite kubitą, jo būsena pasikeis ir jo negalima klonuoti. Arba triukšmas, elektromagnetinės bangos, dalelės blogai veikia sistemą, todėl dauguma platformų atvėsina visą sistemą iki žemos temperatūros, kad sumažintų triukšmo ir dulkių poveikį. Tačiau dirbti kriogenikoje yra daug sunkiau. Visa tai apsunkina kvantinių kompiuterių kūrimą, todėl dabar yra daugiausia apie 130 kubitų. Pavyzdžiui, IBM išleido 128 kubitų sistemą.
Kiekviename kvantinio kompiuterio kūrimo žingsnyje yra daug inžinerinių sudėtingų dalykų.
Tačiau yra ne tik fizinių, bet ir loginiųkubitai. Koks skirtumas? Kvantinio skaičiavimo tikslumas turėtų būti apie 99,9999999999999% – tada mes jį laikome labai dideliu. Bet šiandien jis svyruoja nuo 90 iki 99%, tai labai žemi parametrai, su jų pagalba sunku tiksliai apskaičiuoti, klaidų procentas bus didelis. Norėdami pasiekti norimą lygį, jie sukuria loginius kubitus, tai yra, jie sudaro vieną loginį kubitą iš daugybės fizinių kubitų, programuojamų klaidų taisymo protokolų, algoritmo, ir paaiškėja, kad tai yra vienas kubitas su dideliu tikslumu. norma.
Todėl, jei grįšime prie fizinių kubitų,iš kurių turėtų būti pagamintas kvantinis kompiuteris – pramonė yra ankstyvoje stadijoje, maždaug dešimties loginių kubitų lygyje. Tikimės, kad ateinančiais metais bus pasiektas šimto loginių kubitų lygis. Tai jau leis daryti įdomius dalykus – maršruto optimizavimą, klinikinius tyrimus, sintetinį klinikinių duomenų kūrimą, kvantinių simuliacijų proksimaciją, finansinių portfelių optimizavimą. Palyginimui, norint nulaužti RSA algoritmus, jums reikia maždaug tūkstančio loginių kubitų.
Čia reikia padaryti nedidelį nukrypimą irPasakyti, kad šiandien kvantiniame skaičiavime yra dar vienas sunkumas iš eilės – kol nebus išrasta kvantinė atmintis. Todėl per ateinančius 10 metų kvantinė kompiuterija veiks kartu su klasikiniais kompiuteriais.
Strateginis ilgalaikis tikslas – sukurti universalų kvantinį kompiuterį. Tam reikia daugiau nei 10 000 loginių kubitų, patikimo kelių kubitų vartų valdymo ir kvantinės atminties.
Ką pakeis kvantiniai kompiuteriai?
— Jie gali išspręsti daugybę problemų– pavyzdžiui, biomokslams. Šiuo metu negalime modeliuoti net vidutiniškai sudėtingų molekulinių junginių. Štai kodėl mokslininkai kuria sintetines molekules ir nuolat eksperimentuoja. Modeliavimą labai riboja molekulinių sistemų dydis ir tikslumo parametrai. Dėl šios priežasties naujam vaistui sukurti prireikia dešimties metų. Kvantinis kompiuteris, galintis imituoti kvantinę mechaninę sistemą, radikaliai pagreitins procesą.
Arba jie dabar bando atlikti baltymų lankstymąRentgeno spinduliai, gudrūs magnetiniai rezonansai. O jei bus kvantinis kompiuteris, jis galės imituoti šią sistemą, ir mes supaprastinsime savo gyvenimą kurdami vaistus. Taip pat paspartės naujų medžiagų, skirtų skrydžiams į kosmosą, variklių ir superlaidžių sistemų kūrimas. Atsiras naujų elektrolitų akumuliatoriams, kurių energijos tankis vienai masei jau 20 metų buvo 200-250 Wh/kg. Mes negalime padaryti geriau, nes dar nemodeliuojame gerai.
Net neįmanoma visko išvardinti viename interviutos kvantinių kompiuterių programos, kurias galima įsivaizduoti. Net jei jis gali tiesiog pagreitinti kelis svarbių operacijų procesus (pvz., Furjė transformaciją), tai jau bus rimta pažanga. Ir tai tik vienas žingsnis kuriant universalų kvantinį kompiuterį. Štai kodėl kyla toks ažiotažas.
— Bet jas galima naudoti tik mokslo ribose?
– Ne, bet kokiame optimizavime – pavyzdžiui, kur naudojama grafų teorija. Jie jau naudojami optimizuoti finansinius portfelius, maršrutus ir optimizuoti AI algoritmus.
"Qubits yra geras, bet tai nereiškia skaičiavimo greičio ir tikslumo"
– Ar yra kitų problemų, kurias neaišku, kaip išspręsti? Kas gali sustabdyti progresą?
- Pagrindinis yra kubitų kūrimas dideliameskaičius ir jų susiejimas, visos sistemos gyvavimo laikas. Pavyzdžiui, jei sistemos veikimo laikas yra 0,001 sekundės, galite neturėti laiko apskaičiuoti ką nors svarbaus. Turime galvoti, kaip išlaikyti skaičiavimų kokybę ir jų mastelį.
Paimkime įmonę IonQ – jie į ją investavogerbiami investiciniai fondai iš viso pasaulio, net pateko į viešumą. Jie kuria sistemas su jonais, o problema ta, kad yra jonų gaudyklės, bet yra ribotas jonų, kuriuos galima sugauti, skaičius. Ir mes turime sugalvoti mechanizmą, kaip susieti spąstus. Dėl to vis dar yra didelių problemų – tai labai trukdo keisti sistemos mastelį. Kitos platformos turi panašių rimtų problemų.
Vis dar yra problemų su įranga - kartais ir žemiaukvantiniams kompiuteriams reikia išrasti naujus įrenginius. Pavyzdžiui, speciali optika, lazeriai, vakuuminė įranga, kriogeninės kameros. Problemų daug, bet toks yra vystymosi kelias – mikroelektronika jį jau įveikė. Tai normalu: pramonė prisitaiko prie kiekvieno naujo proceso ir išranda naujus laidžius metalus bei kitus atradimus. Tiesiog visa sistema vis dar yra ankstyvoje brandos stadijoje.
Pagrindinė problema kuriant kvantinius kompiuterius yra daugybės kubitų kūrimas ir jų susiejimas, visos sistemos gyvavimo laikas
– Kaip nespecialistai, kurie domisikvantiniai kompiuteriai, kad suprastumėte, ar naujas atradimas tikrai yra šios pramonės žingsnis į priekį, ar dar viena naujiena dėl paspaudimų? Į ką atkreipti dėmesį? Pavyzdžiui, ar kubitų skaičius yra rodiklis?
- Geriau pabandyk tai išsiaiškinti daugiaugilus lygis. Jei visiškai nesuprantate, šie etalonai labai paviršutiniškai atskleis pažangos esmę, o kartais net suklaidins. Kaip, pavyzdžiui, su kubitų skaičiumi – iš tikrųjų tai gerai, bet nepasakoma, kiek sistema gali apskaičiuoti ir kokiu tikslumu.
Man svarbus tarpusavyje susijusių loginių kubitų skaičius, skaičiavimo tikslumas, sistemos gyvavimo laikas, gebėjimas skaičiuoti praktinius algoritmus.
— Kvantinių kompiuterių kūrimas trunka ilgą laiką,brangus ir sunkus. Todėl panašu, kad tuo užsiima labai ribotas skaičius organizacijų. Ar tai reiškia, kad tokie įrenginiai bus naudingi tik korporacijoms ir valstybėms?
- Tie, kurie pagamino daugiau ar mažiau veikiančią mašiną,paprastai atidaroma prieiga prie debesies. Ir jūs galite rašyti savo kvantines grandines ir apskaičiuoti algoritmus. Kiekvienas kūrėjas yra suinteresuotas padidinti praktinių užduočių, kurias galima atlikti savo kvantiniame kompiuteryje, skaičių, todėl išlaidos sumažėja.
Pagal investicijų skaičių sektoriuje galima padarytiišvada tokia, kad pažanga yra. Tai netiesioginis parametras – jei šimtai investuotojų investuoja ir pramonė auga, tai byloja. O nuo 2019 metų investicijų skaičius auga – nuo 300 mln.$ iki 2,3 mlrd.. Matyt, esame arti sprendimų, kurie taps praktiški.
Tačiau tuo pačiu metu yra tik 80 organizacijų, kuriosgaminti kvantinius kompiuterius. Tačiau skaičiai sako, kad į techninę įrangą buvo investuota 1,5 mlrd. Iš jų 12 įmonių užėmė liūto dalį. Čia reikalingi kvantinės fizikos, matematikos specialistai, labai reikalingi inžinieriai. Įdomus faktas: sovietinė mokykla čia laikoma stipria. Kalbėjomės su daugeliu iš 260 aktyvių šios srities įmonių – 20% jų dirba Rusijos inžinieriai, fizikai ar matematikai.
„Kubitų skaičius nenurodo, kiek sistema gali apskaičiuoti ir kokiu tikslumu“
„Rusijos mokslininkai nuo pasaulio mokslininkų atsilieka 3–5 metais“
— O kaip su kvantinėmis technologijomis Rusijoje?
- Ne visai.Rusija turi programą ir planą kvantinių technologijų plėtrai, kurios biudžetas iki 2024 m. sieks apie 1 mlrd. Programa suskirstyta į kelis planus – kvantinį skaičiavimą (kurią prižiūri Rosatom), komunikacijas (Rusijos geležinkeliai ir Metrologijos centras) ir jutiklius (Rostec). „Gazprombank“ taip pat dalyvauja visame žaidime, nes jie yra pagrindinis investuotojas į kvantinį centrą. Pavyzdžiui, jau atsirado speciali kvantinio ryšio linija tarp Maskvos ir Sankt Peterburgo – toks šiandien yra pagrindinis kvantinės kriptografijos protokolas.
Tikriausiai pagrindiniai kvantinio skaičiavimo dalyviai yra RCC, FIAN ir Maskvos valstybinis universitetas.
Apie kokius pokyčius verta kalbėti?
– Pagal planą jie daro kvantiniuskompiuteriai skirtingose platformose – atomai, jonai, fotonai, superlaidininkai. Mano jausmais, jie nuo pasaulinių kompanijų atsilieka 3-5 metais. Bet jie turi rimtą personalą ir požiūrį – tikrai sukurs ką nors naudingo.
— Tyrėjai bijo, kad technologija taps nekontroliuojama? Ar jie jau bando tai reguliuoti?
– Mes vis dar einame į reguliavimo kelią, o visi susirūpinęaparatūros kūrimas. Kai tik atsiras kažkas rimto, bus taikomi apribojimai. Bet visi bijo dėl savo duomenų. Pavyzdžiui, dabar galima apsaugoti duomenis kvantiniu šifravimu ir sumažinti tikimybę, kad kvantinis kompiuteris galės juos nulaužti. Bet jei kas nors nukopijavo duomenis ir laukia, kol pasirodys kvantinis kompiuteris, vėliau galės jį iššifruoti. Dabar tai yra pagrindinis rūpestis.
Skaityti daugiau:
Katapulta į dangų siunčia NASA palydovus
Milžiniška magnetinė audra artėja prie Žemės
Atkurkite saulę Žemėje: kaip fizikai išsprendė pagrindinę termobranduolinės sintezės problemą