“Een klassieke computer zal een getal over 1.000.000.000.000 jaar ontleden in 2.048 bits. Een kwantumcomputer - in 10 seconden "
—
— Het maken van een kwantumcomputer is een van defundamentele problemen van de fysica van de eenentwintigste eeuw. Vorige week werd zelfs de Nobelprijs uitgereikt aan natuurkundigen voor het aantonen van kwantumverstrengeling, het principe achter kwantumcomputers. Als je de wet van Moore kent (het aantal transistors op een chip met geïntegreerde schakelingen verdubbelt elke twee jaar - red.), dan wordt die de afgelopen jaren niet meer nageleefd, en zelfs microprocessorfabrikanten zijn afgestapt van zoiets als een technisch werkwijze. Nanometers, waar iedereen het nu over heeft, zijn meer een marketingding.
Nu is er een nieuwe ontwikkelingstak in de lithografie -extreem ultraviolet, waar ze schijnen op een golflengte van 13,5 nm. Dit is een recordgolflengte die stabiel kan worden verkregen en chips kan maken in de 2-3 nm-limiet, waardoor de diffractielimiet wordt verlaagd met verschillende optische trucs. Maar wat nu te doen is onduidelijk. Een doodlopende weg is mogelijk in de reductie van transistors op de horizon van 5-10 jaar.
Danila Shaposhnikov
Dit is waar het fundamentele verschil kan helpen.kwantum en klassieke informatica. Klassieke zijn sequentieel, en kwantum degenen stellen je natuurlijk in staat om volledig parallelle berekeningen uit te voeren. Dat wil zeggen, elke kwantumbit kan parallel met de andere kwantumbits van het systeem worden berekend. In dit geval kan een bit meerdere toestanden tegelijkertijd hebben - zowel nul als één zijn. Of zelfs een systeem met meerdere niveaus, maar de mainstream is nu een qubit, het heeft twee niveaus. De rekenkracht groeit exponentieel met de toevoeging van qubits aan het systeem (2n). En in het gebruikelijke systeem groeit het kwadratisch (n2).
De moderne wetenschap bevindt zich in het stadium van begrip,wat is kwantummechanica. Alle wetten van deeltjes, de interactie van atomen met elkaar worden beschreven door de wetten van de kwantummechanica. Deze wetenschap is anders dan wat eraan voorafging. In de kwantummechanica is er bijvoorbeeld het principe van superpositie, waardoor de dimensie van de toestandsruimte exponentieel groeit.
Een klassieke computer kan het gewoon niet.simuleren. Een kwantumcomputer zelf is gebouwd op dergelijke fenomenen en kan met dergelijke systemen werken. Bovendien zijn er in het kwantummechanische systeem kansamplitudes met complexe getallen - gewone computers hebben dit niet.
Als we het probleem van het uitbreiden van een aantal2048 bits, dan zal het klassieke algoritme het in duizend stappen en in 1.000.000.000.000 jaar ontleden. En het algoritme van Shor, als er een kwantumcomputer was met het juiste aantal qubits, zou het in 107 stappen doen - ongeveer 10 seconden. Tot nu toe zijn er geen dergelijke kwantumcomputers, maar degenen die al kunnen doen wat een klassieke computer enorm veel tijd zou kosten.
- Zullen kwantumcomputers de hoop rechtvaardigen die er al op is gevestigd?
Laten we eerst begrijpen wat er nodig is om een kwantumcomputer te maken. Natuurkundige David di Vincenzo verwoordde correct vijf basiscriteria:
- Definieer wat een qubit is. Ze zijn anders, tegenwoordig zijn er verschillende bekende platforms - op atomen, ionen, supergeleiders, fotonen.
- Een qubit in een superpositie kunnen introduceren.Begrijp hoe je een qubit tegelijkertijd nul en één kunt maken. In elk van de platforms is de introductie tot superpositie een aparte taak, en dit kan worden gedaan door verschillende fysieke principes.
- Het is noodzakelijk om qubits en kwantumverstrengeling daartussen te creëren, om ze te kunnen controleren, om er poorten op te bouwen.
- Houd deze coherente toestand zo lang mogelijk vast.
- Voer metingen uit op onze kwantumcomputer.
Achter elk van deze fenomenen schuilt veel techniekmoeilijkheden. Als u bijvoorbeeld een qubit meet, verandert de status ervan en kan deze niet worden gekloond. Of lawaai, elektromagnetische golven en deeltjes hebben een slecht effect op het systeem, dus koelen de meeste platforms het hele systeem af tot lage temperaturen om de impact van lawaai en stof te minimaliseren. Maar werken in de cryogene techniek is veel moeilijker. Dit alles bemoeilijkt het maken van kwantumcomputers, dus nu ligt het maximum op ongeveer 130 qubits. IBM heeft bijvoorbeeld een 128-qubit-systeem uitgebracht.
Er zijn veel technische complexiteiten achter elke stap in de ontwikkeling van een kwantumcomputer.
Maar er zijn niet alleen fysieke, maar ook logischequbits. Wat is het verschil? De nauwkeurigheid van kwantumcomputing zou ongeveer 99,9999999999999% moeten zijn - dan beschouwen we deze als zeer hoog. Maar vandaag zweeft het van 90 naar 99%, dit zijn zeer lage parameters, het is moeilijk om precies met hun hulp te berekenen, het percentage fouten zal hoog zijn. Om het gewenste niveau te bereiken, maken ze logische qubits, dat wil zeggen, ze maken één logische qubit van een groot aantal fysieke qubits, programmafoutcorrectieprotocollen, een algoritme erop, en het blijkt dat dit één qubit is met een hoge nauwkeurigheid tarief.
Als we daarom terugkeren naar fysieke qubits,waarvan een quantumcomputer moet worden gemaakt – de industrie bevindt zich in een vroeg stadium, ongeveer op het niveau van tien logische qubits. De komende jaren verwachten we dat een niveau van honderd logische qubits haalbaar is. Dit zal het al mogelijk maken om interessante dingen te doen: routeoptimalisatie, klinische tests, synthetische creatie van klinische gegevens, proximatie van kwantumsimulaties, optimalisatie van financiële portefeuilles. Ter vergelijking: om RSA-algoritmen te kraken heb je ongeveer duizend logische qubits nodig.
Hier moeten we een kleine uitweiding maken enOm te zeggen dat er vandaag de dag in de kwantumcomputing nog een moeilijkheid op rij is - totdat het kwantumgeheugen is uitgevonden. Daarom zal quantum computing de komende tien jaar samenwerken met klassieke computers.
Het strategische langetermijndoel is om een universele kwantumcomputer te creëren. Dit vereist meer dan 10.000 logische qubits, betrouwbare controle van multi-qubit-poorten en kwantumgeheugen.
Wat gaan kwantumcomputers veranderen?
— Ze kunnen een groot aantal problemen oplossen— bijvoorbeeld voor biowetenschappen. Momenteel kunnen we zelfs gematigd complexe moleculaire verbindingen niet modelleren. Dat is de reden waarom wetenschappers synthetische moleculen maken en voortdurend experimenteren. Simulaties worden ernstig beperkt door de omvang van moleculaire systemen en nauwkeurigheidsparameters. Hierdoor duurt het tien jaar om een nieuw medicijn te maken. En een kwantumcomputer die een kwantummechanisch systeem kan simuleren zal het proces radicaal versnellen.
Of ze proberen nu eiwitvouwing te doenRöntgenstralen, lastige magnetische resonanties. En als er een kwantumcomputer is, zal deze dit systeem kunnen simuleren, en we zullen ons leven vereenvoudigen door medicijnen te maken. Ook de ontwikkeling van nieuwe materialen voor ruimtevluchten, motoren en supergeleidende systemen zal versnellen. Er komen nieuwe elektrolyten voor batterijen, die al 20 jaar op het niveau van 200-250 Wh per kilogram zitten in termen van energiedichtheid per massa. We kunnen niet beter, omdat we nog niet goed modelleren.
Het is onmogelijk om zelfs maar alles in één interview op te sommendie toepassingen van kwantumcomputers die je maar kunt bedenken. Zelfs als hij eenvoudigweg een paar processen van belangrijke operaties kan versnellen (zoals de Fourier-transformatie), zal dit al een serieuze vooruitgang zijn. En dit is slechts één stap in de richting van het creëren van een universele kwantumcomputer. Daarom is er zo'n hype.
— Maar ze kunnen alleen worden gebruikt binnen de grenzen van de wetenschap?
- Nee, in elke vorm van optimalisatie - bijvoorbeeld waar grafentheorie wordt gebruikt. Ze worden al gebruikt om financiële portefeuilles, routes en AI-algoritmen te optimaliseren.
“Qubits zijn goed, maar dit betekent niet de snelheid en nauwkeurigheid van de berekening”
- Zijn er nog andere problemen waarvan niet duidelijk is hoe ze moeten worden opgelost? Wat kan de vooruitgang tegenhouden?
- De belangrijkste is het maken van qubits in een grotenummer en hun binding, de levensduur van het hele systeem. Als de levensduur van het systeem bijvoorbeeld 0,001 seconden is, heeft u misschien geen tijd om iets belangrijks te berekenen. We moeten nadenken over hoe we de kwaliteit van berekeningen kunnen handhaven en schalen.
Laten we het bedrijf IonQ nemen - ze hebben erin geïnvesteerdgerespecteerde investeringsfondsen van over de hele wereld, het ging zelfs naar de beurs. Ze maken systemen met ionen, en het probleem is dat er ionenvallen zijn, maar er is een limiet aan het aantal ionen dat kan worden gevangen. En we moeten een mechanisme bedenken om vallen aan elkaar te koppelen. Er zijn nog steeds grote problemen hiermee - het belemmert de schaalvergroting van het systeem enorm. Andere platforms hebben vergelijkbare ernstige problemen.
Er zijn nog steeds problemen met de apparatuur - soms onderkwantumcomputers moeten nieuwe apparaten uitvinden. Bijvoorbeeld speciale optica, lasers, vacuümapparatuur, cryogene kamers. Er zijn veel problemen, maar dit is het pad van ontwikkeling - micro-elektronica is het al gepasseerd. Dit is normaal: de industrie past zich aan elk nieuw proces aan en vindt nieuwe geleidende metalen en andere ontdekkingen uit. Alleen bevindt het hele systeem zich nog in een vroeg stadium van volwassenheid.
Het grootste probleem bij het maken van kwantumcomputers is het maken van qubits in grote aantallen en hun binding, de levensduur van het hele systeem
- Als niet-specialisten die geïnteresseerd zijnkwantumcomputers, om te begrijpen of een nieuwe ontdekking echt een stap voorwaarts is voor deze industrie of een ander nieuws omwille van klikken? Waar op letten? Is het aantal qubits bijvoorbeeld een indicator?
- Het is beter om te proberen er meer achter te komendiep niveau. Als je het helemaal niet begrijpt, zullen deze benchmarks heel oppervlakkig de essentie van vooruitgang onthullen en je soms zelfs misleiden. Zoals bijvoorbeeld met het aantal qubits - in feite is dit goed, maar het zegt niet hoeveel het systeem kan berekenen en met welke nauwkeurigheid.
Voor mij zijn het aantal onderling verbonden logische qubits, de nauwkeurigheid van de berekening, de levensduur van het systeem en het vermogen om praktische algoritmen te berekenen belangrijk.
— De ontwikkeling van kwantumcomputers duurt lang,duur en moeilijk. Het lijkt er dus op dat een zeer beperkt aantal organisaties dit doet. Betekent dit dat dergelijke apparaten alleen zullen werken in het voordeel van bedrijven en staten?
- Degenen die een min of meer werkende machine hebben gemaakt,meestal open voor cloudtoegang. En je kunt je eigen kwantumcircuits schrijven en algoritmen berekenen. Elke ontwikkelaar is geïnteresseerd in het vergroten van het aantal praktische taken dat op hun kwantumcomputer kan worden gedaan, zodat de kosten worden verlaagd.
Op basis van het aantal investeringen in de sector kan men doende conclusie is dat er vooruitgang is. Dit is een indirecte parameter: als honderden investeerders investeren en de sector groeit, spreekt dit boekdelen. En sinds 2019 is het aantal investeringen gegroeid – van 300 miljoen dollar naar 2,3 miljard dollar. Blijkbaar zijn we dicht bij oplossingen die praktisch zullen worden.
Maar tegelijkertijd zijn er maar 80 organisaties diekwantumcomputers maken. Maar de cijfers zeggen dat er 1,5 miljard in hardware werd geïnvesteerd, waarvan 12 bedrijven het leeuwendeel voor hun rekening namen. Specialisten zijn hier nodig in kwantumfysica, wiskunde, ingenieurs zijn gewild. Een interessant feit: de Sovjetschool wordt hier als sterk beschouwd. We spraken met veel van de 260 actieve bedrijven op dit gebied - 20% van hen heeft Russische ingenieurs, natuurkundigen of wiskundigen.
“Het aantal qubits zegt niet hoeveel het systeem kan berekenen en met welke nauwkeurigheid”
"Russische wetenschappers lopen 3-5 jaar achter op de wereldwetenschappers"
— En hoe zit het met kwantumtechnologieën in Rusland?
- Niet echt.Rusland heeft een programma en een routekaart voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën met een budget van ongeveer $ 1 miljard tot 2024. Het programma is onderverdeeld in verschillende roadmaps - quantum computing (onder toezicht van Rosatom), communicatie (Russische Spoorwegen en het Centrum voor Metrologie) en sensoren (Rostec). Gazprombank zit ook in dit hele spel, omdat zij de belangrijkste investeerder zijn in het kwantumcentrum. Er is bijvoorbeeld al een speciale kwantumcommunicatielijn tussen Moskou en St. Petersburg verschenen - dit is tegenwoordig het belangrijkste protocol voor kwantumcryptografie.
Waarschijnlijk zijn de belangrijkste spelers op het gebied van kwantumcomputers de RCC, FIAN en de Staatsuniversiteit van Moskou.
Welke ontwikkelingen zijn het waard om over te praten?
- Volgens de routekaart maken ze quantumcomputers op verschillende platforms - atomen, ionen, fotonen, supergeleiders. Volgens mijn gevoel lopen ze 3-5 jaar achter op de wereldbedrijven. Maar ze hebben serieuze staf en aanpak - ze zullen zeker iets nuttigs ontwikkelen.
— Onderzoekers zijn bang dat de technologie uit de hand zal lopen? Proberen ze het al te reguleren?
- We zijn nog steeds op weg naar regulering, terwijl iedereen bezorgd iscreatie van hardware. Zodra er iets ernstigs aan de hand is, komt het tot beperkingen. Maar iedereen is bang voor zijn gegevens. Het is nu bijvoorbeeld mogelijk om data te beveiligen met kwantumversleuteling en de kans te verkleinen dat een kwantumcomputer deze kan kraken. Maar als iemand de gegevens heeft gekopieerd en wacht tot er een kwantumcomputer verschijnt, kan hij deze later ontcijferen. Dit is nu de grootste zorg.
Lees verder:
Catapult stuurt NASA-satellieten de lucht in
Een gigantische magnetische storm nadert de aarde
Herschep de zon op aarde: hoe natuurkundigen het belangrijkste probleem van thermonucleaire fusie hebben opgelost