„Un computer clasic va descompune un număr în 2.048 de biți în 1.000.000.000.000 de ani. Un computer cuantic - în 10 secunde "
—
— Crearea unui computer cuantic este unul dintreprobleme fundamentale ale fizicii secolului XXI. Săptămâna trecută, chiar și Premiul Nobel a fost acordat fizicienilor pentru că au demonstrat întricarea cuantică, principiul din spatele computerelor cuantice. Dacă știți despre legea lui Moore (numărul de tranzistori pe un cip de circuit integrat se dublează la fiecare doi ani - n.red.), atunci în ultimii ani a încetat să fie îndeplinită și chiar și producătorii de microprocesoare s-au îndepărtat de un astfel de lucru ca tehnic proces. Nanometrii, despre care toată lumea vorbește acum, sunt mai mult o chestie de marketing.
Acum există o nouă ramură de dezvoltare în litografie -ultraviolete extreme, unde strălucesc la o lungime de undă de 13,5 nm. Aceasta este o lungime de undă record care poate fi obținută stabil și cipurile pot fi realizate în intervalul 2-3 nm, reducând limita de difracție prin diverse trucuri optice. Dar ce să faci în continuare nu este clar. O fundătură este posibilă în reducerea tranzistorilor la orizont de 5-10 ani.
Danila Shaposhnikov
Aici diferența fundamentală poate ajuta.calcul cuantic și clasic. Cele clasice sunt secvențiale, iar cele cuantice vă permit în mod natural să faceți calcule complet paralele. Adică, fiecare bit cuantic poate calcula în paralel cu ceilalți biți cuantici ai sistemului. În acest caz, un bit poate avea mai multe stări în același timp - să fie atât zero, cât și unu. Sau chiar un sistem cu mai multe niveluri, dar curentul principal acum este un qubit, are două niveluri. Puterea de calcul crește exponențial odată cu adăugarea de qubiți în sistem (2n). Și în sistemul obișnuit, crește pătratic (n2).
Știința modernă este în stadiul înțelegerii,ce este mecanica cuantică. Toate legile particulelor, interacțiunea atomilor între ei sunt descrise de legile mecanicii cuantice. Această știință este diferită de ceea ce a apărut înainte. De exemplu, în mecanica cuantică există principiul suprapunerii, datorită căruia dimensiunea spațiului de stare crește exponențial.
Un computer clasic pur și simplu nu poate face asta.simula. Un computer cuantic în sine este construit pe astfel de fenomene și este capabil să lucreze cu astfel de sisteme. În plus, în sistemul mecanic cuantic există amplitudini de probabilitate cu numere complexe - computerele obișnuite nu au acest lucru.
Dacă luăm problema extinderii unui număr în2048 de biți, apoi algoritmul clasic îl va descompune în o mie de pași și în 1.000.000.000.000 de ani. Iar algoritmul lui Shor, dacă ar exista un computer cuantic cu numărul potrivit de qubiți, ar face-o în 107 pași - aproximativ 10 secunde. Până acum, nu există astfel de computere cuantice, dar cele care sunt deja capabile să facă ceea ce un computer clasic ar lua o cantitate enormă de timp pentru a face.
- Vor justifica computerele cuantice speranțele care au fost deja puse asupra lor?
Să înțelegem mai întâi ce este nevoie pentru a crea un computer cuantic. Fizicianul David di Vincenzo a articulat corect cinci criterii de bază:
- Definiți ce este un qubit. Sunt diferite, astăzi există mai multe platforme binecunoscute - pe atomi, ioni, supraconductori, fotoni.
- Să fie capabil să introducă un qubit într-o suprapunere.Înțelegeți cum să faceți un qubit să fie și zero și unul în același timp. În fiecare dintre platforme, introducerea în suprapunere este o sarcină separată, iar acest lucru poate fi realizat prin diferite principii fizice.
- Este necesar să se creeze qubiți și întanglement cuantic între ei, pentru a-i putea controla, pentru a construi porți pe baza lor.
- Mențineți această stare coerentă cât mai mult timp posibil.
- Faceți măsurători pe computerul nostru cuantic.
În spatele fiecăruia dintre aceste fenomene se află multă ingineriedificultăți. De exemplu, dacă măsurați un qubit, starea acestuia se va schimba și nu poate fi clonat. Sau zgomotul, undele electromagnetice, particulele au un efect negativ asupra sistemului, astfel încât majoritatea platformelor răcesc întregul sistem la temperaturi scăzute pentru a minimiza impactul zgomotului și prafului. Dar lucrul în criogenie este mult mai dificil. Toate acestea complică crearea calculatoarelor cuantice, așa că acum există un maxim de aproximativ 130 de qubiți. De exemplu, IBM a lansat un sistem de 128 de qubiți.
Există multe complexități de inginerie în spatele fiecărui pas în dezvoltarea unui computer cuantic.
Dar există nu numai fizice, ci și logicequbiți. Care este diferența? Precizia calculului cuantic ar trebui să fie de aproximativ 99,999999999999% - atunci considerăm că este foarte mare. Dar astăzi plutește de la 90 la 99%, aceștia sunt parametri foarte mici, este dificil de calculat exact cu ajutorul lor, procentul de erori va fi mare. Pentru a atinge nivelul dorit, ei fac qubit-uri logici, adică fac un qubit logic dintr-un număr mare de qubiți fizici, protocoale de corecție a erorilor programului, un algoritm pe acesta și se dovedește că acesta este un qubit cu o precizie ridicată. rată.
Prin urmare, dacă ne întoarcem la qubiții fizici,din care ar trebui realizat un computer cuantic - industria este într-un stadiu incipient, aproximativ la nivelul a zece qubiți logici. În următorii ani, ne așteptăm ca un nivel de o sută de qubiți logici să fie realizabil. Acest lucru va permite deja realizarea unor lucruri interesante - optimizarea rutei, teste clinice, crearea sintetică a datelor clinice, apropierea simulărilor cuantice, optimizarea portofoliilor financiare. Pentru comparație, pentru a sparge algoritmii RSA, aveți nevoie de aproximativ o mie de qubiți logici.
Aici trebuie să facem o mică digresiune șiA spune că astăzi în calculul cuantic există încă o dificultate la rând - până când se inventează memoria cuantică. Prin urmare, în următorii 10 ani, calculul cuantic va funcționa împreună cu calculatoarele clasice.
Scopul strategic pe termen lung este crearea unui computer cuantic universal. Acest lucru necesită mai mult de 10.000 de qubiți logici, control fiabil al porților multi-qubiți și memorie cuantică.
Ce vor schimba calculatoarele cuantice?
— Pot rezolva o gamă largă de probleme— de exemplu, pentru bioștiințe. În prezent, nu putem modela nici măcar compuși moleculari cu complexitate moderată. De aceea oamenii de știință fac molecule sintetice și experimentează în mod constant. Simulările sunt sever limitate de dimensiunea sistemelor moleculare și de parametrii de precizie. Din acest motiv, este nevoie de zece ani pentru a crea un nou medicament. Iar un computer cuantic care poate simula un sistem mecanic cuantic va accelera radical procesul.
Sau încearcă să facă plierea proteinelor acumRaze X, rezonanțe magnetice complicate. Și dacă există un computer cuantic, acesta va fi capabil să simuleze acest sistem și ne vom simplifica viața în crearea de droguri. Dezvoltarea de noi materiale pentru zboruri spațiale, motoare și sisteme supraconductoare se va accelera, de asemenea. Vor exista electroliți noi pentru baterii, care au fost la nivelul de 200-250 Wh pe kilogram în ceea ce privește densitatea energetică pe masă timp de 20 de ani. Nu putem face mai bine, pentru că nu modelăm încă bine.
Este imposibil să enumerați totul într-un singur interviuacele aplicații ale calculatoarelor cuantice care pot fi imaginate. Chiar dacă pur și simplu poate accelera câteva procese de operații importante (cum ar fi transformata Fourier), acesta va fi deja un progres serios. Și acesta este doar un pas către crearea unui computer cuantic universal. De aceea există un asemenea hype.
— Dar ele pot fi folosite numai în limitele științei?
- Nu, în orice fel de optimizare - de exemplu, unde se folosește teoria grafurilor. Ele sunt deja folosite pentru a optimiza portofoliile financiare, rutele și optimizarea algoritmilor AI.
„Qubit-urile sunt bune, dar asta nu înseamnă viteza și acuratețea calculului”
- Există alte probleme pe care nu este clar cum să le rezolve? Ce poate opri progresul?
- Principalul este crearea de qubiți într-un marenumărul și legarea lor, durata de viață a întregului sistem. De exemplu, dacă durata de viață a sistemului este de 0,001 secunde, atunci este posibil să nu aveți timp să calculați ceva important. Trebuie să ne gândim cum să menținem calitatea calculelor și să le scalam.
Să luăm compania IonQ - au investit în eaa respectat fonduri de investiții din întreaga lume, a devenit chiar publică. Ei fac sisteme cu ioni, iar problema este că există capcane de ioni, dar există o limită a numărului de ioni care pot fi prinși. Și trebuie să găsim un mecanism pentru a lega capcanele între ele. Există încă probleme mari cu acest lucru - împiedică foarte mult scalarea sistemului. Alte platforme au probleme grave similare.
Există încă probleme cu echipamentul - uneori subcalculatoarele cuantice trebuie să inventeze noi dispozitive. De exemplu, optice speciale, lasere, echipamente de vid, camere criogenice. Există multe probleme, dar aceasta este calea dezvoltării - microelectronica a trecut deja. Acest lucru este normal: industria se adaptează la fiecare proces nou și inventează noi metale conductoare și alte descoperiri. Doar că întregul sistem este încă într-un stadiu incipient de maturitate.
Principala problemă în crearea computerelor cuantice este crearea de qubiți în număr mare și legarea lor, durata de viață a întregului sistem.
- Ca nespecialişti care sunt interesaţicalculatoare cuantice, pentru a înțelege dacă o nouă descoperire este într-adevăr un pas înainte pentru această industrie sau o altă știre de dragul clicurilor? La ce să fii atent? De exemplu, numărul de qubiți este un indicator?
- Este mai bine să încerci să-ți dai seama mai multnivel profund. Dacă nu înțelegeți deloc, aceste repere vor dezvălui foarte superficial esența progresului și uneori chiar vă vor induce în eroare. Ca, de exemplu, cu numărul de qubiți - de fapt, acest lucru este bun, dar nu spune cât de mult poate calcula sistemul și cu ce precizie.
Pentru mine, numărul de qubiți logici interconectați, acuratețea calculului, durata de viață a sistemului și capacitatea de a calcula algoritmi practici sunt importante.
— Dezvoltarea calculatoarelor cuantice este de lungă durată,scump si dificil. Prin urmare, se pare că un număr foarte limitat de organizații fac acest lucru. Înseamnă asta că astfel de dispozitive vor funcționa doar în beneficiul corporațiilor și statelor?
- Cei care au făcut o mașină mai mult sau mai puțin funcțională,de obicei, este deschis pentru accesul în cloud. Și vă puteți scrie propriile circuite cuantice și puteți calcula algoritmi. Fiecare dezvoltator este interesat să crească numărul de sarcini practice care pot fi realizate pe computerul său cuantic, astfel încât costul este redus.
În funcție de numărul de investiții din sector, se poate faceconcluzia este că există progres. Acesta este un parametru indirect - dacă sute de investitori investesc și industria crește, asta spune multe. Și din 2019, numărul investițiilor a crescut - de la 300 de milioane de dolari la 2,3 miliarde de dolari. Aparent, suntem aproape de soluții care vor deveni practice.
Dar în același timp sunt doar 80 de organizații careface calculatoare cuantice. Cifrele spun însă că 1,5 miliarde au fost investite în hardware, dintre care 12 companii au luat partea leului. Aici este nevoie de specialiști în fizică cuantică, matematică, inginerii sunt la mare căutare. Un fapt interesant: școala sovietică este considerată puternică aici. Am discutat cu multe dintre cele 260 de companii active în acest domeniu - 20% dintre ele au ingineri, fizicieni sau matematicieni ruși.
„Numărul de qubiți nu spune cât de mult poate calcula sistemul și cu ce precizie”
„Oamenii de știință ruși sunt cu 3-5 ani în urmă față de oamenii de știință din lume”
— Și cum rămâne cu tehnologiile cuantice din Rusia?
- Nu e bun.Rusia are un program și o foaie de parcurs pentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice cu un buget de aproximativ 1 miliard de dolari până în 2024. Programul este împărțit în mai multe foi de parcurs - calcul cuantic (supravegheat de Rosatom), comunicații (Căile Ferate Ruse și Centrul de Metrologie) și senzori (Rostec). Gazprombank este și ea în tot acest joc, pentru că ei sunt principalul investitor în centrul cuantic. De exemplu, a apărut deja o linie specială de comunicare cuantică între Moscova și Sankt Petersburg - acesta este protocolul principal pentru criptografia cuantică astăzi.
Probabil principalii jucători în calculul cuantic sunt RCC, FIAN și Universitatea de Stat din Moscova.
Despre ce evoluții merită să vorbească?
- Conform foii de parcurs, ei fac cuanțicalculatoare pe diferite platforme - atomi, ioni, fotoni, supraconductori. După sentimentele mele, sunt cu 3-5 ani în urmă față de companiile mondiale. Dar au personal serios și abordare - cu siguranță vor dezvolta ceva util.
— Cercetătorii se tem că tehnologia va scăpa de sub control? Încearcă deja să o reglementeze?
- Suntem încă pe cale de reglementare, în timp ce toată lumea este îngrijoratăcrearea de hardware. De îndată ce apare ceva grav, se va ajunge la restricții. Dar toată lumea se teme pentru datele lor. De exemplu, acum este posibil să securizeze datele cu criptare cuantică și să se reducă probabilitatea ca un computer cuantic să le poată sparge. Dar dacă cineva a copiat datele și așteaptă să apară un computer cuantic, va putea să le decripteze ulterior. Acum aceasta este principala preocupare.
Citeste mai mult:
Catapult trimite sateliți NASA pe cer
O furtună magnetică uriașă se apropie de Pământ
Recreează Soarele pe Pământ: cum au rezolvat fizicienii principala problemă a fuziunii termonucleare