"Klasiskais dators 1 000 000 000 000 gadu laikā sadalīs skaitli 2 048 bitos. Kvantu dators - 10 sekundēs
—
— Kvantu datora izveide ir viena noXXI gadsimta fizikas pamatproblēmas. Pagājušajā nedēļā pat Nobela prēmija tika piešķirta fiziķiem par kvantu sapīšanās demonstrēšanu, kas ir kvantu datoru princips. Ja zini par Mūra likumu (tranzistoru skaits integrālās shēmas mikroshēmā dubultojas ik pēc diviem gadiem – red.), tad pēdējos gados tas vairs nepildās, un pat mikroprocesoru ražotāji ir attālinājušies no tādas lietas kā tehnisks. process. Nanometri, par kuriem tagad visi runā, vairāk ir mārketinga lieta.
Tagad ir jauna attīstības nozare litogrāfijā -ekstrēms ultravioletais starojums, kur tie spīd ar viļņa garumu 13,5 nm. Tas ir rekordviļņu garums, ko var iegūt stabili un izgatavot mikroshēmas 2-3 nm robežās, samazinot difrakcijas robežu ar dažādiem optiskiem trikiem. Bet ko darīt tālāk, nav skaidrs. Tranzistoru samazināšana ir iespējama strupceļā 5–10 gadu horizontā.
Daņila Šapošņikovs
Šeit var palīdzēt būtiskā atšķirība.kvantu un klasiskā skaitļošana. Klasiskie ir secīgi, un kvantu aprēķini, protams, ļauj veikt pilnīgi paralēlus aprēķinus. Tas nozīmē, ka katrs kvantu bits var aprēķināt paralēli citiem sistēmas kvantu bitiem. Šajā gadījumā bitam var būt vairāki stāvokļi vienlaikus - būt gan nulle, gan viens. Vai pat vairāku līmeņu sistēma, bet galvenā plūsma tagad ir kubits, tai ir divi līmeņi. Skaitļošanas jauda pieaug eksponenciāli, sistēmai pievienojot kubitus (2n). Un parastajā sistēmā tas aug kvadrātiski (n2).
Mūsdienu zinātne ir izpratnes stadijā,kas ir kvantu mehānika. Visus daļiņu likumus, atomu mijiedarbību savā starpā apraksta kvantu mehānikas likumi. Šī zinātne atšķiras no tās, kas bija pirms tās. Piemēram, kvantu mehānikā ir superpozīcijas princips, kura dēļ stāvokļa telpas dimensija pieaug eksponenciāli.
Klasiskais dators to vienkārši nespēj.simulēt. Pats kvantu dators ir veidots uz šādām parādībām un spēj strādāt ar šādām sistēmām. Turklāt kvantu mehāniskajā sistēmā ir varbūtības amplitūdas ar kompleksajiem skaitļiem - parastajiem datoriem tādas nav.
Ja ņemam vērā problēmu par kāda skaitļa paplašināšanu2048 biti, tad klasiskais algoritms to sadalīs tūkstoš soļos un 1 000 000 000 000 gadu laikā. Un Šora algoritms, ja būtu kvantu dators ar pareizo kubitu skaitu, darītu to 107 soļos – apmēram 10 sekundēs. Pagaidām tādu kvantu datoru nav, bet tādi, kas jau spēj paveikt to, ko klasiskajam datoram būtu nepieciešams milzīgs laiks.
– Vai kvantu datori attaisnos uz tiem jau liktās cerības?
Vispirms sapratīsim, kas nepieciešams, lai izveidotu kvantu datoru. Fiziķis David di Vincenzo pareizi formulēja piecus pamatkritērijus:
- Definējiet, kas ir kubits. Tās ir dažādas, mūsdienās ir vairākas labi zināmas platformas – uz atomiem, joniem, supravadītājiem, fotoniem.
- Spēj ieviest kubitu superpozīcijā.Saprotiet, kā panākt, lai kubits vienlaikus būtu gan nulle, gan viens. Katrā no platformām superpozīcijas ievadīšana ir atsevišķs uzdevums, un to var paveikt pēc dažādiem fiziskiem principiem.
- Starp tiem ir jārada kubiti un kvantu samezglojums, jāspēj tos kontrolēt, uz tiem būvēt vārtus.
- Saglabājiet šo saskaņoto stāvokli pēc iespējas ilgāk.
- Veiciet mērījumus mūsu kvantu datorā.
Aiz katras no šīm parādībām slēpjas daudz inženierijasgrūtības. Piemēram, ja mērīsit kubitu, tā stāvoklis mainīsies un to nevar klonēt. Vai arī troksnis, elektromagnētiskie viļņi, daļiņas slikti ietekmē sistēmu, tāpēc lielākā daļa platformu visu sistēmu atdzesē līdz zemai temperatūrai, lai samazinātu trokšņa un putekļu ietekmi. Bet strādāt kriogēnijā ir daudz grūtāk. Tas viss sarežģī kvantu datoru izveidi, tāpēc tagad maksimums ir aptuveni 130 kubiti. Piemēram, IBM izlaida 128 kubitu sistēmu.
Katra kvantu datora izstrādes soļa pamatā ir daudz inženiertehnisku sarežģījumu.
Bet ir ne tikai fiziski, bet arī loģiskikubīti. Kāda ir atšķirība? Kvantu skaitļošanas precizitātei vajadzētu būt aptuveni 99,9999999999999% - tad mēs to uzskatām par ļoti augstu. Bet šodien tas peld no 90 līdz 99%, tie ir ļoti zemi parametri, ar to palīdzību ir grūti precīzi aprēķināt, kļūdu procents būs augsts. Lai sasniegtu vēlamo līmeni, viņi veido loģiskus kubitus, tas ir, veido vienu loģisku kubitu no liela skaita fizisko kubitu, programmu kļūdu labošanas protokolus, algoritmu uz tā, un izrādās, ka tas ir viens kubits ar augstu precizitāti. likme.
Tāpēc, ja mēs atgriežamies pie fiziskajiem kubitiem,no kuriem būtu jāizgatavo kvantu dators - nozare ir sākuma stadijā, aptuveni desmit loģisko kubitu līmenī. Nākamajos gados mēs sagaidām, ka būs sasniedzams simts loģisko kubitu līmenis. Tas jau ļaus darīt interesantas lietas - maršruta optimizāciju, klīniskos testus, sintētisku klīnisko datu izveidi, kvantu simulāciju tuvināšanu, finanšu portfeļu optimizāciju. Salīdzinājumam, lai uzlauztu RSA algoritmus, jums ir nepieciešams apmēram tūkstotis loģisko kubitu.
Šeit mums ir jāizdara neliela atkāpe unTeikt, ka šodien kvantu skaitļošanā ir vēl viena grūtība pēc kārtas - līdz tiek izgudrota kvantu atmiņa. Tāpēc nākamajos 10 gados kvantu skaitļošana darbosies kopā ar klasiskajiem datoriem.
Stratēģiskais ilgtermiņa mērķis ir izveidot universālu kvantu datoru. Tas prasa vairāk nekā 10 000 loģisku kubitu, uzticamu vairāku kubitu vārtu kontroli un kvantu atmiņu.
Ko mainīs kvantu datori?
— Viņi var atrisināt ļoti daudz problēmu— piemēram, biozinātnēm. Pašlaik mēs nevaram modelēt pat vidēji sarežģītus molekulāros savienojumus. Tāpēc zinātnieki veido sintētiskas molekulas un pastāvīgi eksperimentē. Simulācijas ievērojami ierobežo molekulāro sistēmu lielums un precizitātes parametri. Šī iemesla dēļ jaunas zāles radīšana prasa desmit gadus. Un kvantu dators, kas var simulēt kvantu mehānisko sistēmu, radikāli paātrinās procesu.
Vai arī viņi tagad mēģina veikt olbaltumvielu locīšanuRentgenstari, viltīgas magnētiskās rezonanses. Un, ja ir kvantu dators, tas spēs simulēt šo sistēmu, un mēs vienkāršosim savu dzīvi narkotiku radīšanā. Paātrināsies arī jaunu materiālu, dzinēju un supravadītāju sistēmu izstrāde kosmosa lidojumiem. Būs jauni elektrolīti akumulatoriem, kas pēc enerģijas blīvuma uz masu jau 20 gadus ir 200-250 Wh līmenī uz kilogramu. Mēs nevaram darīt labāk, jo mēs vēl nestrādājam labi.
Nav iespējams pat visu uzskaitīt vienā intervijātās kvantu datoru lietojumprogrammas, kuras var iedomāties. Pat ja viņš var vienkārši paātrināt dažus svarīgu darbību procesus (piemēram, Furjē transformāciju), tas jau būs nopietns progress. Un tas ir tikai viens solis ceļā uz universāla kvantu datora izveidi. Tāpēc ir tāda ažiotāža.
— Bet tos var izmantot tikai zinātnes robežās?
- Nē, jebkādā optimizācijā - piemēram, kur tiek izmantota grafu teorija. Tie jau tiek izmantoti, lai optimizētu finanšu portfeļus, maršrutus un optimizētu AI algoritmus.
"Qubits ir labs, bet tas nenozīmē aprēķina ātrumu un precizitāti"
– Vai ir vēl kādas problēmas, kuras nav skaidrs, kā atrisināt? Kas var apturēt progresu?
- Galvenais ir kubitu izveide lielānumuru un to saistīšanu, visas sistēmas kalpošanas laiku. Piemēram, ja sistēmas kalpošanas laiks ir 0,001 sekunde, iespējams, jums nav laika, lai aprēķinātu kaut ko svarīgu. Jādomā, kā uzturēt aprēķinu kvalitāti un mērogot tos.
Ņemsim uzņēmumu IonQ – viņi tajā ieguldījacienījamus investīciju fondus no visas pasaules, tas pat nonāca publiskajā apgrozībā. Viņi veido sistēmas ar joniem, un problēma ir tā, ka ir jonu slazdi, bet ir ierobežots to jonu skaits, ko var noķert. Un mums ir jāizdomā mehānisms slazdu savstarpējai savienošanai. Ar to joprojām ir lielas problēmas - tas ievērojami kavē sistēmas mērogošanu. Citām platformām ir līdzīgas nopietnas problēmas.
Joprojām ir problēmas ar aprīkojumu - dažreiz zemkvantu datoriem ir jāizgudro jaunas ierīces. Piemēram, īpaša optika, lāzeri, vakuuma iekārtas, kriogēnās kameras. Problēmu ir daudz, bet tas ir attīstības ceļš – mikroelektronika to jau ir gājusi garām. Tas ir normāli: nozare pielāgojas katram jaunam procesam un izgudro jaunus vadošus metālus un citus atklājumus. Vienkārši visa sistēma vēl ir agrīnā brieduma stadijā.
Galvenā problēma kvantu datoru izveidē ir kubitu radīšana lielā skaitā un to saistīšana, visas sistēmas kalpošanas laiks
- Kā nespeciālisti, kas interesējaskvantu datori, lai saprastu, vai jauns atklājums tiešām ir solis uz priekšu šai nozarei vai vēl viena ziņa klikšķu dēļ? Kam pievērst uzmanību? Piemēram, vai kubitu skaits ir rādītājs?
- Labāk ir mēģināt to izdomāt vairākdziļš līmenis. Ja jūs vispār nesaprotat, šie kritēriji ļoti virspusēji atklās progresa būtību un dažreiz pat maldinās. Tāpat kā, piemēram, ar kubitu skaitu - patiesībā tas ir labi, bet nav teikts, cik daudz sistēma var aprēķināt un ar kādu precizitāti.
Man svarīgs ir savstarpēji savienoto loģisko kubitu skaits, aprēķina precizitāte, sistēmas kalpošanas laiks un spēja aprēķināt praktiskos algoritmus.
— Kvantu datoru attīstība ir ilgs laiks,dārgi un grūti. Tāpēc šķiet, ka ar to nodarbojas ļoti ierobežots skaits organizāciju. Vai tas nozīmē, ka šādas ierīces darbosies tikai korporāciju un valstu labā?
- Tie, kas izgatavoja vairāk vai mazāk strādājošu mašīnu,parasti tam ir atvērta mākoņa piekļuve. Un jūs varat rakstīt savas kvantu shēmas un aprēķināt algoritmus. Katrs izstrādātājs ir ieinteresēts palielināt praktisko uzdevumu skaitu, ko var veikt savā kvantu datorā, tādējādi izmaksas tiek samazinātas.
Balstoties uz investīciju skaitu nozarē, var veiktsecinājums ir tāds, ka ir progress. Tas ir netiešs parametrs - ja simtiem investoru iegulda un nozare aug, tas runā daudz. Un kopš 2019. gada investīciju skaits ir pieaudzis – no 300 miljoniem USD līdz 2,3 miljardiem, šķiet, esam tuvu risinājumiem, kas kļūs praktiski.
Bet tajā pašā laikā ir tikai 80 organizācijas, kasizgatavot kvantu datorus. Taču skaitļi liecina, ka aparatūrā tika ieguldīti 1,5 miljardi, no kuriem lauvas tiesu ieņēma 12 uzņēmumi. Šeit ir vajadzīgi speciālisti kvantu fizikā, matemātikā, inženieri ir ļoti pieprasīti. Interesants fakts: padomju skola šeit tiek uzskatīta par spēcīgu. Mēs runājām ar daudziem no 260 aktīvajiem uzņēmumiem šajā jomā - 20% no tiem ir Krievijas inženieri, fiziķi vai matemātiķi.
"Kubitu skaits nenorāda, cik daudz sistēma var aprēķināt un ar kādu precizitāti"
"Krievijas zinātnieki atpaliek no pasaules zinātniekiem par 3-5 gadiem"
— Un kā ar kvantu tehnoloģijām Krievijas iekšienē?
- Nav labi.Krievijai ir programma un ceļvedis kvantu tehnoloģiju attīstībai ar aptuveni 1 miljarda dolāru budžetu līdz 2024. gadam. Programma ir sadalīta vairākos ceļvežos - kvantu skaitļošanā (uzrauga Rosatom), komunikācijās (Krievijas dzelzceļš un Metroloģijas centrs) un sensoros (Rostec). Gazprombank ir arī visā šajā spēlē, jo viņi ir galvenais investors kvantu centrā. Piemēram, jau ir parādījusies speciāla kvantu sakaru līnija starp Maskavu un Sanktpēterburgu – tāds ir galvenais kvantu kriptogrāfijas protokols mūsdienās.
Iespējams, galvenie kvantu skaitļošanas dalībnieki ir RCC, FIAN un Maskavas Valsts universitāte.
Par kādām norisēm ir vērts runāt?
- Saskaņā ar ceļvedi viņi veido kvantudatori uz dažādām platformām – atomi, joni, fotoni, supravadītāji. Pēc manām izjūtām viņi par 3-5 gadiem atpaliek no pasaules uzņēmumiem. Bet viņiem ir nopietns kadrs un pieeja - viņi noteikti izstrādās kaut ko noderīgu.
— Pētnieki baidās, ka tehnoloģija kļūs nekontrolējama? Vai viņi jau cenšas to regulēt?
– Mēs joprojām esam ceļā uz regulējumu, kamēr visi ir nobažījušiesaparatūras izveide. Tiklīdz parādīsies kaut kas nopietns, tas nonāks pie ierobežojumiem. Bet visi baidās par saviem datiem. Piemēram, tagad ir iespējams nodrošināt datu drošību ar kvantu šifrēšanu un samazināt varbūtību, ka kvantu dators spēs tos uzlauzt. Bet, ja kāds ir nokopējis datus un gaida, kad parādīsies kvantu dators, viņš vēlāk varēs tos atšifrēt. Tagad tas ir galvenās bažas.
Lasīt vairāk:
Katapulta sūta NASA satelītus debesīs
Zemei tuvojas milzu magnētiskā vētra
Atjaunojiet Sauli uz Zemes: kā fiziķi atrisināja galveno kodolsintēzes problēmu