„Класични рачунар ће разложити број на 2.048 бита за 1.000.000.000.000 година. Квантни компјутер - за 10 секунди"
—
— Стварање квантног рачунара је једна одфундаментални проблеми физике КСКСИ века. Прошле недеље је чак и Нобелова награда додељена физичарима за демонстрирање квантне испреплетености, принципа који стоји иза квантних рачунара. Ако знате за Муров закон (број транзистора на чипу интегрисаног кола се удвостручује сваке две године - прим. аут.), онда је последњих година престао да се испуњава, па су се чак и произвођачи микропроцесора удаљили од такве ствари као што је технички процес. Нанометри, о којима сада сви причају, више су маркетиншка ствар.
Сада постоји нова развојна грана у литографији -екстремно ултраљубичасто, где сијају на таласној дужини од 13,5 нм. Ово је рекордна таласна дужина која се може стабилно добити и направити чипове у граници од 2-3 нм, смањујући границу дифракције разним оптичким триковима. Али шта даље, нејасно је. Могућ је ћорсокак у смањењу транзистора на хоризонту од 5-10 година.
Данила Шапошњиков
Ту фундаментална разлика може помоћи.квантног и класичног рачунарства. Класичне су секвенцијалне, а квантне вам природно омогућавају да радите потпуно паралелне прорачуне. То јест, сваки квантни бит може да рачуна паралелно са осталим квантним битовима система. У овом случају, бит може имати неколико стања истовремено - бити и нула и један. Или чак систем на више нивоа, али мејнстрим је сада кубит, има два нивоа. Рачунарска снага расте експоненцијално са додавањем кубита систему (2н). А у уобичајеном систему расте квадратно (н2).
Савремена наука је у фази разумевања,шта је квантна механика. Сви закони честица, интеракција атома једни са другима описани су законима квантне механике. Ова наука се разликује од онога што је било пре ње. На пример, у квантној механици постоји принцип суперпозиције, због чега димензија простора стања расте експоненцијално.
Класичан рачунар то једноставно не може.симулирати. Сам квантни рачунар је изграђен на таквим феноменима и у стању је да ради са таквим системима. Плус, у квантном механичком систему постоје амплитуде вероватноће са комплексним бројевима - обични рачунари то немају.
Ако узмемо проблем проширења неког броја у2048 бита, онда ће га класични алгоритам разложити у хиљаду корака и за 1.000.000.000.000 година. А Шоров алгоритам, да постоји квантни рачунар са правим бројем кубита, урадио би то у 107 корака – око 10 секунди. За сада не постоје такви квантни рачунари, већ они који су већ у стању да ураде оно што би класичном рачунару требало огромно времена.
- Хоће ли квантни рачунари оправдати наде које су им већ полагане?
Хајде да прво схватимо шта је потребно за стварање квантног рачунара. Физичар Давид ди Винцензо је исправно артикулисао пет основних критеријума:
- Дефинишите шта је кубит. Они су различити, данас постоји неколико познатих платформи - на атоме, јоне, суперпроводнике, фотоне.
- Бити у стању да уведеш кубит у суперпозицију.Схватите како да учините да кубит буде и нула и један у исто време. У свакој од платформи, увод у суперпозицију је посебан задатак, а то се може урадити на различитим физичким принципима.
- Неопходно је створити кубите и квантну запетљаност између њих, моћи да их контролишемо, да на основу њих изградимо капије.
- Одржавајте ово кохерентно стање што је дуже могуће.
- Извршите мерења на нашем квантном рачунару.
Иза сваког од ових феномена стоји много инжењерстватешкоће. На пример, ако мерите кубит, његово стање ће се променити и не може се клонирати. Или бука, електромагнетни таласи, честице лоше утичу на систем, па већина платформи хлади цео систем на ниске температуре како би се смањио утицај буке и прашине. Али рад у криогеници је много тежи. Све ово компликује стварање квантних рачунара, па сада има највише око 130 кубита. На пример, ИБМ је објавио систем од 128 кубита.
Постоји много инжењерских сложености иза сваког корака у развоју квантног рачунара.
Али постоје не само физичке, већ и логичкекубити. Која је разлика? Прецизност квантног рачунања би требало да буде реда 99,9999999999999% - тада сматрамо да је веома висока. Али данас плута од 90 до 99%, ово су веома ниски параметри, тешко је тачно израчунати уз њихову помоћ, проценат грешака ће бити висок. Да би постигли жељени ниво, праве логичке кубите, односно праве један логички кубит од великог броја физичких кубита, протокола за исправљање грешака програма, алгоритма на њему и испоставило се да је то један кубит са великом тачношћу. стопа.
Стога, ако се вратимо физичким кубитима,од којих би требало да се направи квантни компјутер – индустрија је у раној фази, отприлике на нивоу од десет логичких кубита. У наредним годинама очекујемо да ће ниво од сто логичких кубита бити достижан. Ово ће већ омогућити да се раде занимљиве ствари - оптимизација рута, клиничка испитивања, синтетичко креирање клиничких података, проксимација квантних симулација, оптимизација финансијских портфеља. Поређења ради, да бисте разбили РСА алгоритме, потребно вам је око хиљаду логичких кубита.
Овде треба да направимо малу дигресију иРећи да данас у квантном рачунарству постоји још једна потешкоћа у низу – док се не измисли квантна меморија. Стога ће у наредних 10 година квантно рачунарство радити у спрези са класичним рачунарима.
Стратешки дугорочни циљ је стварање универзалног квантног рачунара. За ово је потребно више од 10.000 логичких кубита, поуздана контрола вишекубитних капија и квантна меморија.
Шта ће квантни рачунари променити?
— Они могу да реше велики број проблема—&нбсп;на пример, за бионауке. Тренутно не можемо моделовати чак ни умерено сложена молекуларна једињења. Зато научници праве синтетичке молекуле и стално експериментишу. Симулације су озбиљно ограничене величином молекуларних система и параметрима тачности. Због тога је за стварање новог лека потребно десет година. А квантни рачунар који може да симулира квантно механички систем ће радикално убрзати процес.
Или сада покушавају да ураде савијање протеинаРендгенски зраци, лукаве магнетне резонанце. А ако постоји квантни компјутер, он ће моћи да симулира овај систем, а ми ћемо поједноставити свој живот у стварању лекова. Убрзаће се и развој нових материјала за свемирске летове, моторе и суперпроводне системе. Биће нових електролита за батерије, који су већ 20 година на нивоу од 200-250 Вх по килограму по густини енергије по маси. Не можемо боље, јер још не моделирамо добро.
Немогуће је чак и навести све у једном интервјууоне примене квантних рачунара које се могу замислити. Чак и ако може једноставно да убрза неколико процеса важних операција (као што је Фуријеова трансформација), то ће већ бити озбиљан напредак. А ово је само један корак ка стварању универзалног квантног рачунара. Зато постоји толики хит.
— Али они се могу користити само у границама науке?&нбсп;
- Не, у било којој врсти оптимизације - на пример, где се користи теорија графова. Они се већ користе за оптимизацију финансијских портфеља, рута и оптимизацију АИ алгоритама.
„Кубити су добри, али то не значи брзину и тачност прорачуна“
- Има ли још неких проблема за које није јасно како их решити? Шта може зауставити напредак?
- Главни је стварање кубита у великомброј и њихово везивање, животни век целог система. На пример, ако је животни век система 0,001 секунди, можда нећете имати времена да израчунате нешто важно. Морамо размислити о томе како одржати квалитет прорачуна и скалирати их.
Узмимо компанију ИонК - уложили су у њуреспектабилних инвестиционих фондова из целог света, чак је изашао и на берзу. Они праве системе са јонима, а проблем је што постоје јонске замке, али постоји ограничење у броју јона који се могу ухватити. И треба да смислимо механизам за међусобно повезивање замки. И даље постоје велики проблеми са овим - то у великој мери отежава скалирање система. Друге платформе имају сличне озбиљне проблеме.
Још увек постоје проблеми са опремом - понекад исподквантни рачунари треба да измисле нове уређаје. На пример, специјална оптика, ласери, вакуумска опрема, криогене коморе. Проблема је много, али ово је пут развоја - микроелектроника га је већ прошла. Ово је нормално: индустрија се прилагођава сваком новом процесу и измишља нове проводне метале и друга открића. Само што је цео систем још увек у раној фази зрелости.
Главни проблем у стварању квантних рачунара је стварање великог броја кубита и њихово везивање, животни век целог система
- Као неспецијалисти који су заинтересованиквантних рачунара, да бисмо разумели да ли је ново откриће заиста корак напред за ову индустрију или још једна вест зарад кликова? На шта обратити пажњу? На пример, да ли је број кубита индикатор?
- Боље је покушати да то схватимо на вишедубок ниво. Ако уопште не разумете, ова мерила ће врло површно открити суштину напретка, а понекад чак и довести у заблуду. Као, на пример, са бројем кубита - у ствари, ово је добро, али не говори колико систем може да израчуна и са којом тачношћу.
За мене су важни број међусобно повезаних логичких кубита, тачност прорачуна, животни век система и способност израчунавања практичних алгоритама.
— Развој квантних рачунара траје дуго,скупо и тешко. Стога се чини да то ради веома ограничен број организација. Зар то не значи да ће такви уређаји радити само у корист корпорација и држава?
- Они који су направили мање-више радну машину,обично отворен приступ облаку. И можете написати сопствена квантна кола и израчунати алгоритме. Сваки програмер је заинтересован да повећа број практичних задатака који се могу обавити на свом квантном рачунару, тако да се трошак смањује.
На основу броја инвестиција у сектору, може се извршитизакључак је да има напретка. Ово је индиректан параметар - ако стотине инвеститора улажу и индустрија расте, то довољно говори. А од 2019. број инвестиција расте – са 300 милиона долара на 2,3 милијарде долара. По свему судећи, близу смо решења која ће постати практична.&нбсп;
Али у исто време постоји само 80 организација којеправе квантне рачунаре. Али бројке говоре да је у хардвер уложено 1,5 милијарди, од чега је лавовски удео узело 12 компанија. Овде су потребни стручњаци у квантној физици, математици, инжењери су у великој потражњи. Занимљива чињеница: совјетска школа се овде сматра јаком. Разговарали смо са многим од 260 активних компанија у овој области – 20% њих имају руске инжењере, физичаре или математичаре.
„Број кубита не говори колико систем може да израчуна и са којом тачношћу“
„Руски научници заостају 3-5 година за светским научницима“
— А шта је са квантним технологијама унутар Русије?
- Не баш.Русија има програм и мапу пута за развој квантних технологија са буџетом од око милијарду долара до 2024. године. Програм је подељен на неколико мапа пута – квантно рачунарство (надгледање Росатома), комуникације (Руске железнице и Центар за метрологију) и сензоре (Ростец). У целој овој игри је и Гаспромбанка, јер су они главни инвеститор у квантни центар. На пример, већ се појавила посебна квантна комуникациона линија између Москве и Санкт Петербурга – ово је данас главни протокол за квантну криптографију.
Вероватно су главни играчи у квантном рачунарству РЦЦ, ФИАН и Московски државни универзитет.
О каквим развојима вреди говорити?
- По мапи пута праве квантрачунари на различитим платформама - атоми, јони, фотони, суперпроводници. По мом осећању заостају 3-5 година за светским компанијама. Али имају озбиљан кадар и приступ - сигурно ће развити нешто корисно.
— Истраживачи се плаше да ће технологија измаћи контроли? Да ли већ покушавају да то регулишу?
- Још смо на путу регулације, а сви су у питањустварање хардвера. Чим се нешто озбиљно појави, доћи ће до ограничења. Али сви се плаше за своје податке. На пример, сада је могуће обезбедити податке квантном енкрипцијом и смањити вероватноћу да ће квантни рачунар моћи да их разбије. Али ако је неко копирао податке и чека да се појави квантни рачунар, касније ће моћи да их дешифрује. Сада је ово главна брига.
Опширније:
Катапулт шаље НАСА сателите на небо
Земљи се приближава џиновска магнетна олуја
Поново креирајте Сунце на Земљи: како су физичари решили главни проблем термонуклеарне фузије