“Um computador clássico decompõe um número em 2.048 bits em 1.000.000.000.000 de anos. Um computador quântico - em 10 segundos "
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— A criação de um computador quântico é uma dasproblemas fundamentais da física do século XXI. Na semana passada, até o Prêmio Nobel foi concedido a físicos por demonstrarem o emaranhamento quântico, o princípio por trás dos computadores quânticos. Se você conhece a lei de Moore (o número de transistores em um chip de circuito integrado dobra a cada dois anos - ed.), nos últimos anos ela deixou de ser cumprida e até mesmo os fabricantes de microprocessadores se afastaram de algo como um técnico processo. Os nanômetros, sobre os quais todos estão falando agora, são mais uma coisa de marketing.
Agora há um novo ramo de desenvolvimento na litografia -ultravioleta extremo, onde brilham em um comprimento de onda de 13,5 nm. Este é um comprimento de onda recorde que pode ser obtido de forma estável e fazer chips na faixa de 2-3 nm, reduzindo o limite de difração por vários truques ópticos. Mas o que fazer a seguir não está claro. Um beco sem saída é possível na redução de transistores no horizonte de 5 a 10 anos.
Danila Shaposhnikov
É aqui que a diferença fundamental pode ajudar.computação quântica e clássica. Os clássicos são sequenciais e os quânticos naturalmente permitem que você faça cálculos completamente paralelos. Isto é, cada bit quântico pode computar em paralelo com os outros bits quânticos do sistema. Nesse caso, um bit pode ter vários estados ao mesmo tempo - ser zero e um. Ou até mesmo um sistema multinível, mas o mainstream agora é um qubit, tem dois níveis. O poder de computação cresce exponencialmente com a adição de qubits ao sistema (2n). E no sistema usual, cresce quadraticamente (n2).
A ciência moderna está em fase de compreensão,o que é mecânica quântica. Todas as leis das partículas, a interação dos átomos entre si é descrita pelas leis da mecânica quântica. Esta ciência é diferente do que veio antes dela. Por exemplo, na mecânica quântica existe o princípio da superposição, devido ao qual a dimensão do espaço de estado cresce exponencialmente.
Um computador clássico simplesmente não pode fazer isso.simular. Um computador quântico em si é construído sobre tais fenômenos e é capaz de trabalhar com tais sistemas. Além disso, no sistema mecânico quântico existem amplitudes de probabilidade com números complexos - os computadores comuns não têm isso.
Se considerarmos o problema de expandir algum número em2048 bits, então o algoritmo clássico irá decompô-lo em mil passos e em 1.000.000.000.000 anos. E o algoritmo de Shor, se houvesse um computador quântico com o número certo de qubits, faria isso em 107 etapas - cerca de 10 segundos. Até agora, não existem tais computadores quânticos, mas aqueles que já são capazes de fazer o que um computador clássico levaria muito tempo para fazer.
- Os computadores quânticos justificarão as esperanças que já foram depositadas neles?
Vamos primeiro entender o que é necessário para criar um computador quântico. O físico David di Vincenzo articulou corretamente cinco critérios básicos:
- Defina o que é um qubit. Eles são diferentes, hoje existem várias plataformas conhecidas - em átomos, íons, supercondutores, fótons.
- Ser capaz de introduzir um qubit em uma superposição.Entenda como fazer um qubit ser zero e um ao mesmo tempo. Em cada uma das plataformas, a introdução à superposição é uma tarefa separada, e isso pode ser feito por diferentes princípios físicos.
- É necessário criar qubits e emaranhamento quântico entre eles, para poder controlá-los, para construir portões com base neles.
- Mantenha esse estado coerente o maior tempo possível.
- Faça medições em nosso computador quântico.
Por trás de cada um desses fenômenos há muita engenhariadificuldades. Por exemplo, se você medir um qubit, seu estado mudará e ele não poderá ser clonado. Ou ruído, ondas eletromagnéticas e partículas têm um efeito negativo no sistema; portanto, a maioria das plataformas resfria todo o sistema a baixas temperaturas para minimizar o impacto do ruído e da poeira. Mas trabalhar com criogenia é muito mais difícil. Tudo isso complica a criação de computadores quânticos, então agora existem no máximo cerca de 130 qubits. Por exemplo, a IBM lançou um sistema de 128 qubits.
Existem muitas complexidades de engenharia por trás de cada etapa do desenvolvimento de um computador quântico.
Mas não há apenas física, mas também lógicaqubits. Qual é a diferença? A precisão da computação quântica deve ser de cerca de 99,9999999999999% - então a consideramos muito alta. Mas hoje flutua de 90 a 99%, são parâmetros muito baixos, fica difícil calcular exatamente com a ajuda deles, o percentual de erros vai ser alto. Para atingir o nível desejado, eles criam qubits lógicos, ou seja, fazem um qubit lógico a partir de um grande número de qubits físicos, programam protocolos de correção de erros, um algoritmo nele e verifica-se que este é um qubit com alta precisão avaliar.
Portanto, se voltarmos aos qubits físicos,do qual um computador quântico deveria ser feito - a indústria está em um estágio inicial, aproximadamente no nível de dez qubits lógicos. Nos próximos anos, esperamos que um nível de cem qubits lógicos seja alcançável. Isto já permitirá fazer coisas interessantes – otimização de rotas, testes clínicos, criação sintética de dados clínicos, aproximação de simulações quânticas, otimização de carteiras financeiras. Para efeito de comparação, para quebrar algoritmos RSA, você precisa de cerca de mil qubits lógicos.
Aqui precisamos fazer uma pequena digressão eDizer que hoje na computação quântica há mais uma dificuldade consecutiva - até que a memória quântica seja inventada. Portanto, nos próximos 10 anos, a computação quântica funcionará em conjunto com os computadores clássicos.
O objetivo estratégico de longo prazo é criar um computador quântico universal. Isso requer mais de 10.000 qubits lógicos, controle confiável de portas multi-qubit e memória quântica.
O que os computadores quânticos vão mudar?
— Eles podem resolver uma grande variedade de problemas— por exemplo, para biociências. Atualmente, não podemos modelar nem mesmo compostos moleculares moderadamente complexos. É por isso que os cientistas fabricam moléculas sintéticas e experimentam constantemente. As simulações são severamente limitadas pelo tamanho dos sistemas moleculares e pelos parâmetros de precisão. Por causa disso, são necessários dez anos para criar um novo medicamento. E um computador quântico que possa simular um sistema de mecânica quântica acelerará radicalmente o processo.
Ou eles estão tentando dobrar proteínas agoraRaios-X, ressonâncias magnéticas complicadas. E se houver um computador quântico, ele poderá simular esse sistema e simplificaremos nossa vida na criação de medicamentos. O desenvolvimento de novos materiais para voos espaciais, motores e sistemas supercondutores também será acelerado. Haverá novos eletrólitos para baterias, que estão no nível de 200-250 Wh por quilo em termos de densidade de energia por massa há 20 anos. Não podemos fazer melhor, porque ainda não modelamos bem.
É impossível listar tudo em uma entrevistaaquelas aplicações de computadores quânticos que podem ser imaginadas. Mesmo que ele consiga simplesmente acelerar alguns processos de operações importantes (como a transformada de Fourier), isso já será um progresso sério. E este é apenas um passo para a criação de um computador quântico universal. É por isso que há tanto hype.
— Mas eles só podem ser usados dentro dos limites da ciência?
- Não, em qualquer tipo de otimização - por exemplo, onde a teoria dos grafos é usada. Eles já estão sendo usados para otimizar portfólios financeiros, rotas e otimizar algoritmos de IA.
“Qubits são bons, mas isso não significa velocidade e precisão do cálculo”
- Existem outros problemas que não está claro como resolver? O que pode impedir o progresso?
- A principal delas é a criação de qubits em um grandenúmero e sua ligação, o tempo de vida de todo o sistema. Por exemplo, se o tempo de vida do sistema for de 0,001 segundos, talvez você não tenha tempo para calcular algo importante. Precisamos pensar em como manter a qualidade dos cálculos e dimensioná-los.
Vamos pegar a empresa IonQ - eles investiram nelarespeitados fundos de investimento de todo o mundo, chegou a abrir o capital. Eles fazem sistemas com íons, e o problema é que existem armadilhas de íons, mas há um limite para o número de íons que podem ser capturados. E precisamos criar um mecanismo para ligar as armadilhas umas às outras. Ainda existem grandes problemas com isso - dificulta muito o dimensionamento do sistema. Outras plataformas têm problemas graves semelhantes.
Ainda há problemas com o equipamento - às vezes sobos computadores quânticos precisam inventar novos dispositivos. Por exemplo, óptica especial, lasers, equipamentos de vácuo, câmaras criogênicas. Os problemas são muitos, mas esse é o caminho do desenvolvimento - a microeletrônica já passou por ele. Isso é normal: a indústria se adapta a cada novo processo e inventa novos metais condutores e outras descobertas. É que todo o sistema ainda está em um estágio inicial de maturidade.
O principal problema na criação de computadores quânticos é a criação de qubits em grande número e sua ligação, o tempo de vida de todo o sistema
- Como não especialistas interessadoscomputadores quânticos, para entender se uma nova descoberta é realmente um avanço para essa indústria ou mais uma novidade para cliques? A que prestar atenção? Por exemplo, o número de qubits é um indicador?
- É melhor tentar descobrir em maisnível profundo. Se você não entender nada, esses benchmarks revelarão muito superficialmente a essência do progresso e, às vezes, até o enganarão. Como, por exemplo, com o número de qubits - na verdade, isso é bom, mas não diz quanto o sistema pode calcular e com que precisão.
Para mim, o número de qubits lógicos interconectados, a precisão do cálculo, o tempo de vida do sistema e a capacidade de calcular algoritmos práticos são importantes.
— O desenvolvimento de computadores quânticos é um longo tempo,caro e difícil. Portanto, parece que um número muito limitado de organizações está fazendo isso. Isso significa que tais dispositivos funcionarão apenas para o benefício de corporações e estados?
- Aqueles que fizeram uma máquina mais ou menos funcional,geralmente aberto para o acesso à nuvem. E você pode escrever seus próprios circuitos quânticos e calcular algoritmos. Cada desenvolvedor está interessado em aumentar o número de tarefas práticas que podem ser realizadas em seu computador quântico, para que o custo seja reduzido.
Com base no número de investimentos no setor, pode-se fazera conclusão é que há progresso. Este é um parâmetro indireto – se centenas de investidores investirem e a indústria crescer, isso diz muito. E desde 2019, o número de investimentos vem crescendo - de US$ 300 milhões para US$ 2,3 bilhões. Aparentemente, estamos perto de soluções que se tornarão práticas.
Mas, ao mesmo tempo, existem apenas 80 organizações quefazer computadores quânticos. Mas os números dizem que foram investidos 1,5 bilhão em hardware, sendo que 12 empresas ficaram com a maior parte. Especialistas são necessários aqui em física quântica, matemática, engenheiros são muito procurados. Um fato interessante: a escola soviética é considerada forte aqui. Conversamos com muitas das 260 empresas ativas neste campo - 20% delas têm engenheiros, físicos ou matemáticos russos.
“O número de qubits não diz quanto o sistema pode calcular e com que precisão”
“Cientistas russos estão 3-5 anos atrasados em relação aos cientistas mundiais”
— E as tecnologias quânticas dentro da Rússia?
- Não é bom.A Rússia tem um programa e um roteiro para o desenvolvimento de tecnologias quânticas com um orçamento de cerca de US$ 1 bilhão até 2024. O programa é dividido em vários roteiros - computação quântica (supervisionada pela Rosatom), comunicações (Russian Railways e Center for Metrology) e sensores (Rostec). O Gazprombank também está em todo esse jogo, porque é o principal investidor do centro quântico. Por exemplo, uma linha especial de comunicação quântica entre Moscou e São Petersburgo já apareceu - este é o principal protocolo para criptografia quântica hoje.
Provavelmente, os principais participantes da computação quântica são a RCC, a FIAN e a Universidade Estadual de Moscou.
Que desenvolvimentos eles têm sobre os quais vale a pena falar?
- De acordo com o roteiro, eles fazem quantumcomputadores em diferentes plataformas - átomos, íons, fótons, supercondutores. De acordo com meus sentimentos, eles estão 3-5 anos atrás das empresas mundiais. Mas eles têm uma equipe e uma abordagem sérias - com certeza desenvolverão algo útil.
— Os pesquisadores têm medo de que a tecnologia saia do controle? Eles já estão tentando regular isso?
- Ainda estamos a caminho da regulamentação, enquanto todos estão preocupadoscriação de hardware. Assim que algo sério aparecer, haverá restrições. Mas todos temem por seus dados. Por exemplo, agora é possível proteger dados com criptografia quântica e reduzir a probabilidade de um computador quântico conseguir quebrá-los. Mas se alguém copiou os dados e está esperando o aparecimento de um computador quântico, poderá descriptografá-lo posteriormente. Agora esta é a principal preocupação.
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