„Klasický počítač rozloží číslo na 2 048 bitov za 1 000 000 000 000 rokov. Kvantový počítač – za 10 sekúnd “
—
— Vytvorenie kvantového počítača je jedným zZákladné problémy fyziky XXI storočia. Minulý týždeň bola dokonca udelená Nobelova cena fyzikom za preukázanie kvantového zapletenia, princípu kvantových počítačov. Ak viete o Moorovom zákone (počet tranzistorov na čipe s integrovaným obvodom sa každé dva roky zdvojnásobí - pozn. red.), tak sa v posledných rokoch prestáva napĺňať a aj výrobcovia mikroprocesorov sa vzdialili od takých vecí, ako je technický proces. Nanometre, o ktorých teraz všetci hovoria, sú skôr marketingová záležitosť.
Teraz je tu nová vývojová vetva v litografii -extrémne ultrafialové, kde svietia pri vlnovej dĺžke 13,5 nm. Ide o rekordnú vlnovú dĺžku, ktorú možno stabilne získať a vyrobiť čipy v limite 2-3 nm, čím sa znižuje difrakčný limit rôznymi optickými trikmi. Čo však robiť ďalej, je nejasné. Slepá ulička je možná v redukcii tranzistorov v horizonte 5-10 rokov.
Danila Shaposhnikov
Tu môže pomôcť zásadný rozdiel.kvantové a klasické výpočty. Klasické sú sekvenčné a kvantové vám prirodzene umožňujú robiť úplne paralelné výpočty. To znamená, že každý kvantový bit môže počítať paralelne s ostatnými kvantovými bitmi systému. V tomto prípade môže mať bit niekoľko stavov súčasne – byť nula aj jedna. Alebo dokonca viacúrovňový systém, ale hlavný prúd je teraz qubit, má dve úrovne. Výpočtový výkon rastie exponenciálne s pridávaním qubitov do systému (2n). A v obvyklom systéme rastie kvadraticky (n2).
Moderná veda je vo fáze porozumenia,čo je kvantová mechanika. Všetky zákony častíc, vzájomné pôsobenie atómov je popísané zákonmi kvantovej mechaniky. Táto veda sa líši od toho, čo bolo pred ňou. Napríklad v kvantovej mechanike existuje princíp superpozície, vďaka ktorému rozmer stavového priestoru rastie exponenciálne.
Klasický počítač to jednoducho nedokáže.simulovať. Samotný kvantový počítač je postavený na takýchto javoch a je schopný s takýmito systémami pracovať. Navyše v kvantovom mechanickom systéme existujú amplitúdy pravdepodobnosti s komplexnými číslami - bežné počítače to nemajú.
Ak vezmeme problém rozšírenia nejakého čísla do2048 bitov, potom ho klasický algoritmus rozloží v tisícoch krokov a za 1 000 000 000 000 rokov. A Shorov algoritmus, ak by existoval kvantový počítač so správnym počtom qubitov, by to urobil v 107 krokoch - asi 10 sekúnd. Zatiaľ neexistujú takéto kvantové počítače, ale tie, ktoré už dokážu to, čo klasický počítač, by im zabralo obrovské množstvo času.
- Ospravedlnia kvantové počítače nádeje, ktoré sa do nich už vkladali?
Poďme najprv pochopiť, čo je potrebné na vytvorenie kvantového počítača. Fyzik David di Vincenzo správne formuloval päť základných kritérií:
- Definujte, čo je qubit. Sú rôzne, dnes je známych viacero platforiem – na atómoch, iónoch, supravodičoch, fotónoch.
- Vedieť zaviesť qubit do superpozície.Pochopte, ako dosiahnuť, aby bol qubit súčasne nula aj jedna. V každej z platforiem je úvod do superpozície samostatnou úlohou, a to sa dá dosiahnuť rôznymi fyzikálnymi princípmi.
- Je potrebné vytvárať qubity a kvantové prepletenie medzi nimi, vedieť ich ovládať, na ich základe stavať brány.
- Udržujte tento koherentný stav tak dlho, ako je to možné.
- Vykonajte merania na našom kvantovom počítači.
Za každým z týchto javov je veľa inžinierstvaťažkosti. Ak napríklad zmeriate qubit, jeho stav sa zmení a nedá sa naklonovať. Alebo hluk, elektromagnetické vlny, častice majú zlý vplyv na systém, takže väčšina platforiem chladí celý systém na nízke teploty, aby sa minimalizoval vplyv hluku a prachu. Ale práca v kryogenike je oveľa ťažšia. To všetko komplikuje vytváranie kvantových počítačov, takže teraz je maximum asi 130 qubitov. Napríklad IBM vydala 128-qubitový systém.
Za každým krokom vo vývoji kvantového počítača je veľa inžinierskych zložitostí.
Ale existujú nielen fyzické, ale aj logickéqubity. V čom je rozdiel? Presnosť kvantových výpočtov by mala byť približne 99,9999999999999 % – vtedy ju považujeme za veľmi vysokú. Ale dnes to pláva od 90 do 99%, to sú veľmi nízke parametre, s ich pomocou je ťažké presne vypočítať, percento chýb bude vysoké. Na dosiahnutie požadovanej úrovne vytvárajú logické qubity, to znamená, že vytvárajú jeden logický qubit z veľkého počtu fyzických qubitov, programujú protokoly na opravu chýb, algoritmus a ukazuje sa, že ide o jeden qubit s vysokou presnosťou. sadzba.
Preto, ak sa vrátime k fyzickým qubitom,z ktorých by mal byť vyrobený kvantový počítač - priemysel je v ranom štádiu, približne na úrovni desiatich logických qubitov. V najbližších rokoch očakávame, že úroveň sto logických qubitov bude dosiahnuteľná. To už umožní robiť zaujímavé veci - optimalizáciu trás, klinické testy, syntetické vytváranie klinických údajov, zbližovanie kvantových simulácií, optimalizáciu finančných portfólií. Pre porovnanie, na prelomenie algoritmov RSA potrebujete asi tisíc logických qubitov.
Tu musíme urobiť malú odbočku aPovedať, že dnes je v kvantových výpočtoch ešte jeden problém v rade – kým sa nevynájde kvantová pamäť. Preto bude v najbližších 10 rokoch kvantová výpočtová technika fungovať v spojení s klasickými počítačmi.
Strategickým dlhodobým cieľom je vytvoriť univerzálny kvantový počítač. Vyžaduje si to viac ako 10 000 logických qubitov, spoľahlivé riadenie multi-qubitových brán a kvantovú pamäť.
Čo zmenia kvantové počítače?
— Môžu vyriešiť širokú škálu problémov— napríklad pre biologické vedy. V súčasnosti nedokážeme modelovať ani stredne zložité molekulárne zlúčeniny. Vedci preto vyrábajú syntetické molekuly a neustále experimentujú. Simulácie sú výrazne obmedzené veľkosťou molekulárnych systémov a parametrami presnosti. Z tohto dôvodu trvá vytvorenie nového lieku desať rokov. A kvantový počítač, ktorý dokáže simulovať kvantový mechanický systém, tento proces radikálne urýchli.
Alebo sa teraz pokúšajú o skladanie bielkovínRöntgenové lúče, zložité magnetické rezonancie. A ak bude existovať kvantový počítač, bude schopný simulovať tento systém a my si zjednodušíme život pri vytváraní drog. Zrýchli sa aj vývoj nových materiálov pre vesmírne lety, motory a supravodivé systémy. Pribudnú nové elektrolyty pre batérie, ktoré sa už 20 rokov pohybujú na úrovni 200-250 Wh na kilogram z hľadiska hustoty energie na hmotnosť. Nemôžeme to urobiť lepšie, pretože ešte nerobíme dobrý model.
V jednom rozhovore nie je možné uviesť všetkotie aplikácie kvantových počítačov, ktoré si možno predstaviť. Aj keď môže jednoducho urýchliť niekoľko procesov dôležitých operácií (ako je Fourierova transformácia), už to bude vážny pokrok. A to je len jeden krok k vytvoreniu univerzálneho kvantového počítača. Preto je taký humbuk.
— Ale dajú sa použiť len v rámci vedy?
- Nie, pri akomkoľvek druhu optimalizácie - napríklad tam, kde sa používa teória grafov. Už sa používajú na optimalizáciu finančných portfólií, trás a optimalizáciu algoritmov AI.
„Qubity sú dobré, ale to neznamená rýchlosť a presnosť výpočtu“
- Existujú nejaké ďalšie problémy, pri ktorých nie je jasné, ako ich vyriešiť? Čo môže zastaviť pokrok?
- Hlavným je vytváranie qubitov vo veľkomčíslo a ich viazanosť, životnosť celého systému. Napríklad, ak je životnosť systému 0,001 sekundy, možno nebudete mať čas vypočítať niečo dôležité. Musíme sa zamyslieť nad tým, ako zachovať kvalitu výpočtov a škálovať ich.
Vezmime si spoločnosť IonQ – investovali do nejrešpektované investičné fondy z celého sveta, dokonca sa dostal aj na burzu. Vyrábajú systémy s iónmi a problém je v tom, že existujú iónové pasce, ale počet iónov, ktoré je možné zachytiť, je obmedzený. A musíme vymyslieť mechanizmus na vzájomné prepojenie pascí. S tým sú stále veľké problémy – značne to bráni škálovaniu systému. Ostatné platformy majú podobné vážne problémy.
Stále sú problémy s vybavením - niekedy podkvantové počítače potrebujú vynájsť nové zariadenia. Napríklad špeciálna optika, lasery, vákuové zariadenia, kryogénne komory. Problémov je veľa, ale toto je cesta vývoja – mikroelektronika ju už prešla. To je normálne: priemysel sa prispôsobuje každému novému procesu a vymýšľa nové vodivé kovy a iné objavy. Ide len o to, že celý systém je ešte len v ranom štádiu zrelosti.
Hlavným problémom pri vytváraní kvantových počítačov je vytváranie qubitov vo veľkom počte a ich viazanie, životnosť celého systému
- Ako nešpecialisti, ktorí majú záujemkvantové počítače, aby sme pochopili, či je nový objav skutočne krokom vpred pre toto odvetvie alebo inou novinkou kvôli kliknutiam? Na čo si dať pozor? Je napríklad počet qubitov indikátorom?
- Je lepšie skúsiť to zistiť na viachlboká úroveň. Ak tomu vôbec nerozumiete, tieto benchmarky veľmi povrchne odhalia podstatu pokroku a niekedy vás dokonca aj zavádzajú. Ako napríklad počet qubitov - v skutočnosti je to dobré, ale nehovorí o tom, koľko dokáže systém vypočítať a s akou presnosťou.
Pre mňa je dôležitý počet prepojených logických qubitov, presnosť výpočtu, životnosť systému a schopnosť počítať praktické algoritmy.
— Vývoj kvantových počítačov je dlhý čas,drahé a ťažké. Preto sa zdá, že to robí veľmi obmedzený počet organizácií. Znamená to, že takéto zariadenia budú fungovať len v prospech korporácií a štátov?
- Tí, ktorí vyrobili viac-menej funkčný stroj,zvyčajne má otvorený prístup do cloudu. A môžete písať svoje vlastné kvantové obvody a počítať algoritmy. Každý vývojár má záujem zvýšiť počet praktických úloh, ktoré je možné vykonať na jeho kvantovom počítači, čím sa znížia náklady.
Na základe počtu investícií v sektore sa dá urobiťzáver je, že pokrok nastal. Toto je nepriamy parameter – ak stovky investorov investujú a odvetvie rastie, hovorí to za všetko. A od roku 2019 počet investícií rastie – z 300 miliónov USD na 2,3 miliardy USD Zdá sa, že sme blízko k riešeniam, ktoré sa stanú praktickými.
Ale zároveň existuje len 80 organizácií, ktorévyrábať kvantové počítače. Čísla však hovoria, že do hardvéru sa investovalo 1,5 miliardy, z toho 12 spoločností získalo leví podiel. Tu sú potrební špecialisti na kvantovú fyziku, matematiku, inžinieri sú veľmi žiadaní. Zaujímavý fakt: sovietska škola je tu považovaná za silnú. Hovorili sme s mnohými z 260 aktívnych spoločností v tejto oblasti – 20 % z nich má ruských inžinierov, fyzikov alebo matematikov.
„Počet qubitov nehovorí, koľko dokáže systém vypočítať a s akou presnosťou“
"Ruskí vedci zaostávajú 3-5 rokov za svetovými vedcami"
— A čo kvantové technológie v Rusku?
- Nie naozaj.Rusko má program a plán rozvoja kvantových technológií s rozpočtom približne 1 miliarda dolárov do roku 2024. Program je rozdelený do niekoľkých plánov – kvantové výpočty (pod dohľadom Rosatomu), komunikácie (Ruské železnice a Centrum pre metrológiu) a senzory (Rostec). V celej tejto hre je aj Gazprombank, pretože sú hlavným investorom kvantového centra. Objavila sa už napríklad špeciálna kvantová komunikačná linka medzi Moskvou a Petrohradom – to je dnes hlavný protokol pre kvantovú kryptografiu.
Pravdepodobne hlavnými hráčmi v oblasti kvantových výpočtov sú RCC, FIAN a Moskovská štátna univerzita.
O akom vývoji sa oplatí hovoriť?
- Podľa cestovnej mapy robia kvantápočítače na rôznych platformách – atómy, ióny, fotóny, supravodiče. Podľa mojich pocitov zaostávajú za svetovými firmami 3-5 rokov. Ale majú seriózny personál a prístup - určite vyvinú niečo užitočné.
— Vedci sa obávajú, že sa technológia vymkne spod kontroly? Už sa to snažia regulovať?
- Stále sme na ceste k regulácii, zatiaľ čo všetci sú znepokojenítvorba hardvéru. Akonáhle sa objaví niečo vážne, príde na to obmedzenia. Ale každý sa bojí o svoje dáta. Teraz je napríklad možné zabezpečiť dáta pomocou kvantového šifrovania a znížiť pravdepodobnosť, že ich kvantový počítač dokáže prelomiť. Ak ale niekto dáta skopíroval a čaká, kým sa objaví kvantový počítač, bude ho vedieť dešifrovať neskôr. Teraz je to hlavný problém.
Čítaj viac:
Katapult vysiela satelity NASA na oblohu
K Zemi sa blíži obrovská magnetická búrka
Obnovte Slnko na Zemi: ako fyzici vyriešili hlavný problém termonukleárnej fúzie