„Klasyczny komputer rozłoży liczbę na 2048 bitów w ciągu 1 000 000 000 000 lat. Komputer kwantowy - w 10 sekund”
—
— Stworzenie komputera kwantowego jest jednym zpodstawowe problemy fizyki XXI wieku. W zeszłym tygodniu nawet Nagrodę Nobla przyznano fizykom za zademonstrowanie splątania kwantowego, zasady stojącej za komputerami kwantowymi. Jeśli wiesz o prawie Moore'a (liczba tranzystorów na chipie układu scalonego podwaja się co dwa lata - przyp. red.), to w ostatnich latach przestało ono być spełniane, a nawet producenci mikroprocesorów odeszli od czegoś takiego jak techniczny proces. Nanometry, o których wszyscy teraz mówią, to raczej rzecz marketingowa.
Teraz pojawiła się nowa gałąź rozwoju w litografii -ekstremalne ultrafioletowe, gdzie świecą na długości fali 13,5 nm. Jest to rekordowa długość fali, którą można uzyskać stabilnie i tworzyć chipy w granicach 2-3 nm, zmniejszając granicę dyfrakcji za pomocą różnych sztuczek optycznych. Ale co dalej nie jest jasne. Możliwy jest ślepy zaułek w redukcji tranzystorów na horyzoncie 5–10 lat.
Danila Szaposznikow
Tutaj może pomóc zasadnicza różnica.obliczenia kwantowe i klasyczne. Klasyczne są sekwencyjne, a kwantowe w naturalny sposób umożliwiają wykonywanie całkowicie równoległych obliczeń. Oznacza to, że każdy bit kwantowy może być obliczany równolegle z innymi bitami kwantowymi systemu. W tym przypadku bit może mieć kilka stanów jednocześnie - być zarówno zerem, jak i jedynką. Albo nawet system wielopoziomowy, ale główny nurt jest teraz kubitem, ma dwa poziomy. Moc obliczeniowa rośnie wykładniczo wraz z dodaniem kubitów do systemu (2n). A w zwykłym systemie rośnie kwadratowo (n2).
Współczesna nauka jest na etapie zrozumienia,czym jest mechanika kwantowa. Wszystkie prawa cząstek, wzajemne oddziaływanie atomów opisane są prawami mechaniki kwantowej. Ta nauka różni się od tego, co było wcześniej. Na przykład w mechanice kwantowej obowiązuje zasada superpozycji, dzięki której wymiar przestrzeni stanów rośnie wykładniczo.
Klasyczny komputer po prostu tego nie potrafi.symulować. Sam komputer kwantowy jest zbudowany na takich zjawiskach i jest w stanie pracować z takimi systemami. Dodatkowo w systemie mechaniki kwantowej występują amplitudy prawdopodobieństwa z liczbami zespolonymi - zwykłe komputery tego nie mają.
Jeśli weźmiemy pod uwagę problem rozwinięcia jakiejś liczby do2048 bitów, to klasyczny algorytm rozłoży go na tysiąc kroków i za 1 000 000 000 000 lat. A algorytm Shora, gdyby istniał komputer kwantowy z odpowiednią liczbą kubitów, robiłby to w 107 krokach - około 10 sekund. Do tej pory nie ma takich komputerów kwantowych, ale takie, które są już w stanie zrobić to, co klasyczny komputer zajęłoby ogromną ilość czasu.
- Czy komputery kwantowe uzasadnią pokładane w nich nadzieje?
Najpierw zrozummy, czego potrzeba do stworzenia komputera kwantowego. Fizyk David di Vincenzo poprawnie sformułował pięć podstawowych kryteriów:
- Zdefiniuj, czym jest kubit. Są różne, dziś istnieje kilka dobrze znanych platform - na atomach, jonach, nadprzewodnikach, fotonach.
- Być w stanie wprowadzić kubit do superpozycji.Dowiedz się, jak sprawić, by kubit był jednocześnie zerem i jedynką. W każdej z platform wprowadzenie do superpozycji jest osobnym zadaniem i można to zrobić według różnych zasad fizycznych.
- Konieczne jest tworzenie kubitów i splątanie kwantowe między nimi, aby móc nimi sterować, budować na ich podstawie bramy.
- Utrzymuj ten spójny stan tak długo, jak to możliwe.
- Wykonuj pomiary na naszym komputerze kwantowym.
Za każdym z tych zjawisk kryje się mnóstwo inżynieriitrudności. Na przykład, jeśli zmierzysz kubit, jego stan ulegnie zmianie i nie będzie można go sklonować. Lub hałas, fale elektromagnetyczne, cząstki mają zły wpływ na system, dlatego większość platform chłodzi cały system do niskich temperatur, aby zminimalizować wpływ hałasu i kurzu. Ale praca w kriogenice jest znacznie trudniejsza. Wszystko to komplikuje tworzenie komputerów kwantowych, więc obecnie jest ich maksymalnie około 130 kubitów. Na przykład IBM wypuścił system 128-kubitowy.
Za każdym krokiem w rozwoju komputera kwantowego kryje się wiele zawiłości inżynieryjnych.
Ale są nie tylko fizyczne, ale także logicznekubity. Jaka jest różnica? Dokładność obliczeń kwantowych powinna wynosić około 99,9999999999999% - wtedy uważamy ją za bardzo wysoką. Ale dziś płynie od 90 do 99%, są to bardzo niskie parametry, trudno dokładnie obliczyć za ich pomocą, procent błędów będzie wysoki. Aby osiągnąć pożądany poziom, robią kubity logiczne, czyli z dużej liczby kubitów fizycznych tworzą jeden kubit logiczny, programują protokoły korekcji błędów, algorytm na nim i okazuje się, że jest to jeden kubit z dużą dokładnością wskaźnik.
Dlatego jeśli wrócimy do fizycznych kubitów,z których powinien powstać komputer kwantowy – przemysł jest na wczesnym etapie, mniej więcej na poziomie dziesięciu kubitów logicznych. Oczekujemy, że w nadchodzących latach uda się osiągnąć poziom stu kubitów logicznych. To już umożliwi robienie ciekawych rzeczy - optymalizację tras, testy kliniczne, syntetyczne tworzenie danych klinicznych, przybliżanie symulacji kwantowych, optymalizację portfeli finansowych. Dla porównania, do złamania algorytmów RSA potrzeba około tysiąca kubitów logicznych.
Tutaj musimy zrobić małą dygresję iPowiedzieć, że dzisiaj w informatyce kwantowej pojawia się jeszcze jedna trudność z rzędu - do czasu wynalezienia pamięci kwantowej. Dlatego w ciągu najbliższych 10 lat obliczenia kwantowe będą działać w połączeniu z klasycznymi komputerami.
Strategicznym celem długoterminowym jest stworzenie uniwersalnego komputera kwantowego. Wymaga to ponad 10 000 logicznych kubitów, niezawodnej kontroli bramek wielokubitowych i pamięci kwantowej.
Co zmienią komputery kwantowe?
— Potrafią rozwiązać ogromną gamę problemów— na przykład w naukach biologicznych. Obecnie nie jesteśmy w stanie modelować nawet średnio złożonych związków molekularnych. Dlatego naukowcy tworzą syntetyczne cząsteczki i stale eksperymentują. Symulacje są poważnie ograniczone rozmiarem układów molekularnych i parametrami dokładności. Z tego powodu stworzenie nowego leku zajmuje dziesięć lat. Komputer kwantowy, który może symulować układ mechaniki kwantowej, radykalnie przyspieszy ten proces.
Albo próbują teraz zrobić fałdowanie białkaPromieniowanie rentgenowskie, trudne rezonanse magnetyczne. A jeśli będzie komputer kwantowy, będzie w stanie zasymulować ten system, a my uprościmy sobie życie w tworzeniu leków. Przyspieszy również rozwój nowych materiałów do lotów kosmicznych, silników i systemów nadprzewodzących. Pojawią się nowe elektrolity do akumulatorów, które od 20 lat kształtują się na poziomie 200-250 Wh na kilogram pod względem gęstości energii na masę. Nie możemy zrobić lepiej, ponieważ jeszcze nie modelujemy dobrze.
Nie sposób nawet wymienić wszystkiego w jednym wywiadziezastosowania komputerów kwantowych, jakie można sobie wyobrazić. Nawet jeśli uda mu się po prostu przyspieszyć kilka procesów ważnych operacji (jak np. transformata Fouriera), to będzie to już poważny postęp. A to tylko jeden krok w stronę stworzenia uniwersalnego komputera kwantowego. Dlatego jest taki szum.
— Ale można ich używać tylko w granicach nauki?
- Nie, w jakiejkolwiek optymalizacji - na przykład tam, gdzie stosuje się teorię grafów. Są już wykorzystywane do optymalizacji portfeli finansowych, tras i optymalizacji algorytmów AI.
„Kubity są dobre, ale nie oznacza to szybkości i dokładności obliczeń”
- Czy są jakieś inne problemy, których nie jest jasne, jak je rozwiązać? Co może zatrzymać postęp?
- Głównym z nich jest tworzenie kubitów w dużejliczba i ich wiązanie, żywotność całego systemu. Na przykład, jeśli czas życia systemu wynosi 0,001 sekundy, możesz nie mieć czasu na obliczenie czegoś ważnego. Musimy zastanowić się, jak utrzymać jakość obliczeń i je skalować.
Weźmy firmę IonQ – oni w nią zainwestowaliszanowane fundusze inwestycyjne z całego świata, nawet upubliczniono. Tworzą układy z jonami, a problem polega na tym, że istnieją pułapki jonowe, ale liczba jonów, które można złapać, jest ograniczona. I musimy wymyślić mechanizm łączenia pułapek ze sobą. Wciąż są z tym spore problemy - bardzo utrudnia to skalowanie systemu. Inne platformy mają podobne poważne problemy.
Nadal są problemy ze sprzętem - czasem podkomputery kwantowe muszą wymyślać nowe urządzenia. Na przykład specjalna optyka, lasery, sprzęt próżniowy, komory kriogeniczne. Problemów jest wiele, ale to jest droga rozwoju – mikroelektronika już ją przeszła. To normalne: przemysł dostosowuje się do każdego nowego procesu i wynajduje nowe metale przewodzące oraz inne odkrycia. Tyle, że cały system jest jeszcze na wczesnym etapie dojrzałości.
Głównym problemem przy tworzeniu komputerów kwantowych jest tworzenie dużych ilości kubitów i ich wiązanie, żywotność całego systemu
- Jako nie-specjaliści, którzy są zainteresowanikomputery kwantowe, aby zrozumieć, czy nowe odkrycie jest naprawdę krokiem naprzód dla tej branży, czy kolejną wiadomością ze względu na kliknięcia? Na co zwrócić uwagę? Na przykład, czy liczba kubitów jest wskaźnikiem?
- Lepiej spróbować to rozgryźć na więcejgłęboki poziom. Jeśli w ogóle nie rozumiesz, te benchmarki bardzo powierzchownie ujawnią istotę postępu, a czasem nawet wprowadzą Cię w błąd. Jak na przykład z liczbą kubitów - w rzeczywistości jest to dobrze, ale nie mówi, ile system może obliczyć iz jaką dokładnością.
Dla mnie ważna jest liczba połączonych logicznych kubitów, dokładność obliczeń, żywotność systemu i umiejętność obliczania praktycznych algorytmów.
— Rozwój komputerów kwantowych to długi czas,drogie i trudne. Dlatego wydaje się, że robi to bardzo ograniczona liczba organizacji. Czy to oznacza, że takie urządzenia będą działać tylko na korzyść korporacji i państw?
- Ci, którzy zrobili mniej lub bardziej sprawną maszynę,zwykle otwarty dostęp do chmury. Możesz też pisać własne obwody kwantowe i obliczać algorytmy. Każdy programista jest zainteresowany zwiększeniem liczby praktycznych zadań, które można wykonać na swoim komputerze kwantowym, dzięki czemu koszty są zmniejszone.
Na podstawie liczby inwestycji w sektorze można dokonaćwniosek jest taki, że jest postęp. Jest to parametr pośredni – jeśli zainwestują setki inwestorów, a branża będzie się rozwijać, to będzie to mówiło wiele. A od 2019 roku rośnie liczba inwestycji – z 300 mln dolarów do 2,3 mld dolarów. Najwyraźniej jesteśmy blisko rozwiązań, które staną się praktyczne.
Ale jednocześnie istnieje tylko 80 organizacji, któretworzyć komputery kwantowe. Jednak liczby mówią, że zainwestowano 1,5 miliarda w sprzęt, z czego 12 firm przejęło lwią część. Potrzebni są tu specjaliści od fizyki kwantowej, matematyki, inżynierowie są bardzo poszukiwani. Ciekawostka: szkoła radziecka jest tutaj uważana za silną. Rozmawialiśmy z wieloma z 260 firm działających w tej dziedzinie - 20% z nich ma rosyjskich inżynierów, fizyków lub matematyków.
„Liczba kubitów nie mówi, ile system może obliczyć i z jaką dokładnością”
„Rosyjscy naukowcy są 3-5 lat za naukowcami światowymi”
— A co z technologiami kwantowymi w Rosji?
- Nie całkiem.Rosja ma program i mapę drogową rozwoju technologii kwantowych z budżetem około 1 miliarda dolarów do 2024 roku. Program podzielony jest na kilka map drogowych - obliczenia kwantowe (nadzorowane przez Rosatom), łączność (Rosyjskie Koleje i Centrum Metrologii) oraz czujniki (Rostec). Gazprombank też jest w tej całej grze, bo to on jest głównym inwestorem w centrum kwantowym. Na przykład pojawiła się już specjalna kwantowa linia komunikacyjna między Moskwą a Petersburgiem - jest to dziś główny protokół kryptografii kwantowej.
Prawdopodobnie głównymi graczami w dziedzinie obliczeń kwantowych są RCC, FIAN i Moskiewski Uniwersytet Państwowy.
O jakich wydarzeniach warto porozmawiać?
- Zgodnie z mapą drogową tworzą kwantykomputery na różnych platformach - atomy, jony, fotony, nadprzewodniki. Według moich odczuć są 3-5 lat za światowymi firmami. Ale mają poważny personel i podejście - na pewno opracują coś pożytecznego.
— Badacze obawiają się, że technologia wymknie się spod kontroli? Czy próbują już to uregulować?
- Wciąż jesteśmy na drodze do regulacji, a wszyscy są zaniepokojenitworzenie sprzętu. Jak tylko pojawi się coś poważnego, dojdzie do ograniczeń. Ale wszyscy boją się o swoje dane. Na przykład teraz możliwe jest zabezpieczenie danych za pomocą szyfrowania kwantowego i zmniejszenie prawdopodobieństwa, że komputer kwantowy będzie w stanie je złamać. Ale jeśli ktoś skopiował dane i czeka na pojawienie się komputera kwantowego, będzie mógł je później odszyfrować. To jest główny problem.
Czytaj więcej:
Katapulta wysyła w niebo satelity NASA
Ogromna burza magnetyczna zbliża się do Ziemi
Odtwórz Słońce na Ziemi: jak fizycy rozwiązali główny problem syntezy termojądrowej