"En klassisk datamaskin vil dekomponere et tall til 2.048 biter på 1.000.000.000.000 år. En kvantedatamaskin - på 10 sekunder"
—
— Opprettelsen av en kvantedatamaskin er en av degrunnleggende problemer med fysikk i det XXI århundre. I forrige uke ble til og med Nobelprisen gitt til fysikere for å demonstrere kvanteforviklinger, prinsippet bak kvantedatamaskiner. Hvis du kjenner til Moores lov (antall transistorer på en integrert kretsbrikke dobles hvert annet år - red.), så har den de siste årene sluttet å bli oppfylt, og til og med mikroprosessorprodusenter har gått bort fra noe slikt som en teknisk prosess. Nanometer, som alle snakker om nå, er mer en markedsføringsgreie.
Nå er det en ny utviklingsgren innen litografi -ekstrem ultrafiolett, hvor de skinner ved en bølgelengde på 13,5 nm. Dette er en rekordbølgelengde som kan oppnås stabilt og lage brikker i 2-3 nm-grensen, noe som reduserer diffraksjonsgrensen med forskjellige optiske triks. Men hva som skal gjøres videre er uklart. En blindvei er mulig i reduksjonen av transistorer i horisonten på 5-10 år.
Danila Shaposhnikov
Det er her den grunnleggende forskjellen kan hjelpe.kvante- og klassisk databehandling. Klassiske er sekvensielle, og kvante-er lar deg naturligvis gjøre helt parallelle beregninger. Det vil si at hver kvantebit kan beregne parallelt med de andre kvantebitene i systemet. I dette tilfellet kan en bit ha flere tilstander samtidig - være både null og én. Eller til og med et flernivåsystem, men mainstream nå er en qubit, den har to nivåer. Datakraften vokser eksponentielt med tillegg av qubits til systemet (2n). Og i det vanlige systemet vokser den kvadratisk (n2).
Moderne vitenskap er i forståelsesstadiet,hva er kvantemekanikk. Alle partiklers lover, samspillet mellom atomer med hverandre er beskrevet av kvantemekanikkens lover. Denne vitenskapen er forskjellig fra det som kom før den. For eksempel, i kvantemekanikk er det prinsippet om superposisjon, på grunn av hvilket dimensjonen til tilstandsrommet vokser eksponentielt.
En klassisk datamaskin kan bare ikke gjøre det.simulere. Selve en kvantedatamaskin er bygget på slike fenomener og er i stand til å jobbe med slike systemer. Pluss, i det kvantemekaniske systemet er det sannsynlighetsamplituder med komplekse tall - vanlige datamaskiner har ikke dette.
Hvis vi tar problemet med å utvide noen tall inn2048 biter, så vil den klassiske algoritmen dekomponere den i tusen trinn og om 1.000.000.000.000 år. Og Shors algoritme, hvis det fantes en kvantedatamaskin med riktig antall qubits, ville gjort det i 107 trinn - omtrent 10 sekunder. Foreløpig er det ingen slike kvantedatamaskiner, men de som allerede er i stand til å gjøre det en klassisk datamaskin ville tatt enormt lang tid å gjøre.
– Vil kvantedatamaskiner rettferdiggjøre forhåpningene som allerede er satt til dem?
La oss først forstå hva som skal til for å lage en kvantedatamaskin. Fysiker David di Vincenzo formulerte fem grunnleggende kriterier korrekt:
- Definer hva en qubit er. De er forskjellige, i dag er det flere kjente plattformer - på atomer, ioner, superledere, fotoner.
- Kunne introdusere en qubit i en superposisjon.Forstå hvordan du får en qubit til å være både null og én samtidig. I hver av plattformene er introduksjonen til superposisjon en egen oppgave, og dette kan gjøres etter ulike fysiske prinsipper.
- Det er nødvendig å lage qubits og kvanteforviklinger mellom dem, for å kunne kontrollere dem, for å bygge porter basert på dem.
- Oppretthold denne sammenhengende tilstanden så lenge som mulig.
- Gjør målinger på vår kvantedatamaskin.
Bak hvert av disse fenomenene ligger det mye ingeniørkunstvanskeligheter. For eksempel, hvis du måler en qubit, vil tilstanden endres og den kan ikke klones. Eller støy, elektromagnetiske bølger, partikler har en dårlig effekt på systemet, så de fleste plattformer avkjøler hele systemet til lave temperaturer for å minimere påvirkningen av støy og støv. Men å jobbe med kryogenikk er mye vanskeligere. Alt dette kompliserer etableringen av kvantedatamaskiner, så nå er det maksimalt rundt 130 qubits. For eksempel ga IBM ut et 128-qubit-system.
Det er mange tekniske kompleksiteter bak hvert trinn i utviklingen av en kvantedatamaskin.
Men det er ikke bare fysiske, men også logiskequbits. Hva er forskjellen? Nøyaktigheten til kvanteberegning bør være omtrent 99,99999999999999 % - da anser vi den for å være veldig høy. Men i dag flyter det fra 90 til 99%, dette er veldig lave parametere, det er vanskelig å beregne nøyaktig med deres hjelp, prosentandelen av feil vil være høy. For å oppnå ønsket nivå lager de logiske qubits, det vil si at de lager en logisk qubit fra et stort antall fysiske qubits, programfeilkorreksjonsprotokoller, en algoritme på den, og det viser seg at dette er en qubit med høy nøyaktighet vurdere.
Derfor, hvis vi går tilbake til fysiske qubits,som det skal lages en kvantedatamaskin av – industrien er på et tidlig stadium, omtrent på nivå med ti logiske qubits. I de kommende årene forventer vi at et nivå på hundre logiske qubits vil være oppnåelig. Dette vil allerede gjøre det mulig å gjøre interessante ting - ruteoptimalisering, kliniske tester, syntetisk opprettelse av kliniske data, nærhet til kvantesimuleringer, optimalisering av finansielle porteføljer. Til sammenligning, for å knekke RSA-algoritmer, trenger du omtrent tusen logiske qubits.
Her må vi gjøre en liten digresjon ogÅ si at i dag innen kvanteberegning er det enda en vanskelighet på rad - inntil kvanteminne er oppfunnet. Derfor vil kvanteberegning i løpet av de neste 10 årene fungere sammen med klassiske datamaskiner.
Det strategiske langsiktige målet er å skape en universell kvantedatamaskin. Dette krever mer enn 10 000 logiske qubits, pålitelig kontroll av multi-qubit-porter og kvanteminne.
Hva vil kvantedatamaskiner endre?
— De kan løse et stort spekter av problemer— for eksempel for biovitenskap. Foreløpig kan vi ikke modellere selv moderat komplekse molekylære forbindelser. Det er derfor forskerne lager syntetiske molekyler og eksperimenterer hele tiden. Simuleringer er sterkt begrenset av størrelsen på molekylære systemer og nøyaktighetsparametere. På grunn av dette tar det ti år å lage et nytt medikament. Og en kvantedatamaskin som kan simulere et kvantemekanisk system vil radikalt fremskynde prosessen.
Eller de prøver å gjøre proteinfolding nåRøntgenstråler, vanskelige magnetiske resonanser. Og hvis det er en kvantedatamaskin, vil den kunne simulere dette systemet, og vi vil forenkle livet vårt med å lage narkotika. Utviklingen av nye materialer for romfart, motorer og superledende systemer vil også akselerere. Det kommer nye elektrolytter til batterier, som har ligget på nivået 200-250 Wh per kilo når det gjelder energitetthet per masse i 20 år. Vi kan ikke gjøre det bedre, fordi vi ikke modellerer godt ennå.
Det er umulig å engang liste opp alt i ett intervjude applikasjonene til kvantedatamaskiner som kan tenkes. Selv om han ganske enkelt kan fremskynde noen få prosesser med viktige operasjoner (som Fourier-transformasjonen), vil dette allerede være et alvorlig fremskritt. Og dette er bare ett skritt mot å skape en universell kvantedatamaskin. Det er derfor det er en slik hype.
— Men de kan bare brukes innenfor vitenskapens rammer?
– Nei, i enhver form for optimalisering – for eksempel der grafteori brukes. De brukes allerede til å optimalisere finansielle porteføljer, ruter og optimalisere AI-algoritmer.
"Qubits er bra, men dette betyr ikke hastigheten og nøyaktigheten til beregningen"
– Er det noen andre problemer som det ikke er klart hvordan de skal løse? Hva kan stoppe fremgangen?
- Den viktigste er opprettelsen av qubits i en storantall og deres binding, levetiden til hele systemet. For eksempel, hvis systemets levetid er 0,001 sekunder, kan det hende du ikke har tid til å beregne noe viktig. Vi må tenke på hvordan vi kan opprettholde kvaliteten på beregningene og skalere dem.
La oss ta selskapet IonQ – de investerte i detrespekterte investeringsfond fra hele verden, ble det til og med børsnotert. De lager systemer med ioner, og problemet er at det finnes ionefeller, men det er begrenset hvor mange ioner som kan fanges. Og vi må komme opp med en mekanisme for å knytte feller til hverandre. Det er fortsatt store problemer med dette – det hindrer kraftig skalering av systemet. Andre plattformer har lignende alvorlige problemer.
Det er fortsatt problemer med utstyret - noen ganger underkvantedatamaskiner må finne opp nye enheter. For eksempel spesialoptikk, lasere, vakuumutstyr, kryogene kamre. Det er mange problemer, men dette er utviklingsveien - mikroelektronikk har allerede passert den. Dette er normalt: Industrien tilpasser seg hver ny prosess og finner opp nye ledende metaller og andre funn. Det er bare at hele systemet fortsatt er på et tidlig stadium av modenhet.
Hovedproblemet med å lage kvantedatamaskiner er opprettelsen av qubits i stort antall og bindingen deres, levetiden til hele systemet
– Som ikke-spesialister som er interessertkvantedatamaskiner, for å forstå om en ny oppdagelse virkelig er et fremskritt for denne industrien eller en annen nyhet for klikkenes skyld? Hva skal man være oppmerksom på? Er for eksempel antall qubits en indikator?
– Det er bedre å prøve å finne ut av det på fleredypt nivå. Hvis du ikke forstår i det hele tatt, vil disse benchmarkene veldig overfladisk avsløre essensen av fremgang, og noen ganger til og med villede deg. Som for eksempel med antall qubits - faktisk er dette bra, men det står ikke hvor mye systemet kan beregne og med hvilken nøyaktighet.
For meg er antall sammenkoblede logiske qubits, nøyaktigheten av beregningen, levetiden til systemet og evnen til å beregne praktiske algoritmer viktig.
— Utviklingen av kvantedatamaskiner er lang tid,dyrt og vanskelig. Derfor ser det ut til at et svært begrenset antall organisasjoner gjør dette. Betyr dette at slike enheter bare vil fungere til fordel for selskaper og stater?
– De som lagde en mer eller mindre fungerende maskin,vanligvis åpen for skytilgang. Og du kan skrive dine egne kvantekretser og beregne algoritmer. Hver utvikler er interessert i å øke antallet praktiske oppgaver som kan gjøres på deres kvantedatamaskin, slik at kostnadene reduseres.
Basert på antall investeringer i sektoren kan man gjørekonklusjonen er at det er fremgang. Dette er en indirekte parameter - hvis hundrevis av investorer investerer og bransjen vokser, sier dette sitt. Og siden 2019 har antallet investeringer vokst – fra 300 millioner dollar til 2,3 milliarder dollar. Tilsynelatende er vi nærme løsninger som vil bli praktiske.
Men samtidig er det bare 80 organisasjoner somlage kvantedatamaskiner. Men tallene sier at det ble investert 1,5 milliarder i maskinvare.Av disse tok 12 selskaper brorparten. Her trengs det spesialister innen kvantefysikk, matematikk, ingeniører er etterspurt. Et interessant faktum: den sovjetiske skolen anses som sterk her. Vi snakket med mange av de 260 aktive selskapene på dette feltet – 20 % av dem har russiske ingeniører, fysikere eller matematikere.
"Antall qubits sier ikke hvor mye systemet kan beregne og med hvilken nøyaktighet"
"Russiske forskere er 3-5 år bak verdensforskerne"
— Og hva med kvanteteknologier inne i Russland?
- Ikke bra.Russland har et program og et veikart for utvikling av kvanteteknologier med et budsjett på rundt 1 milliard dollar frem til 2024. Programmet er delt inn i flere veikart - kvanteberegning (overvåket av Rosatom), kommunikasjon (Russian Railways og Center for Metrology) og sensorer (Rostec). Gazprombank er også med i hele dette spillet, fordi de er hovedinvestoren i kvantesenteret. For eksempel har en spesiell kvantekommunikasjonslinje mellom Moskva og St. Petersburg allerede dukket opp - dette er hovedprotokollen for kvantekryptografi i dag.
Sannsynligvis er de viktigste aktørene innen kvantedatabehandling RCC, FIAN og Moscow State University.
Hvilken utvikling er det verdt å snakke om?
– I følge veikartet lager de kvantedatamaskiner på forskjellige plattformer - atomer, ioner, fotoner, superledere. I følge mine følelser er de 3-5 år bak verdensselskapene. Men de har seriøs stab og tilnærming - de vil definitivt utvikle noe nyttig.
— Forskere er redde for at teknologien skal komme ut av kontroll? Prøver de å regulere det allerede?
– Vi er fortsatt på vei mot regulering, mens alle er bekymretoppretting av maskinvare. Så snart noe alvorlig dukker opp, vil det komme til restriksjoner. Men alle er redde for dataene sine. For eksempel er det nå mulig å sikre data med kvantekryptering og redusere sannsynligheten for at en kvantedatamaskin klarer å knekke dem. Men hvis noen har kopiert dataene og venter på at en kvantedatamaskin skal dukke opp, vil han kunne dekryptere den senere. Nå er dette hovedbekymringen.
Les mer:
Katapult sender NASA-satellitter til himmelen
En gigantisk magnetisk storm nærmer seg jorden
Gjenskap solen på jorden: hvordan fysikere løste hovedproblemet med termonukleær fusjon