"En klassisk dator kommer att bryta ner ett tal till 2 048 bitar på 1 000 000 000 000 år. En kvantdator - på 10 sekunder"
—
— Skapandet av en kvantdator är en av degrundläggande problem i fysiken under XXI-talet. Förra veckan delades till och med Nobelpriset ut till fysiker för att ha demonstrerat kvanttrassling, principen bakom kvantdatorer. Om du känner till Moores lag (antalet transistorer på ett integrerat kretschip fördubblas vartannat år - red.), så har den på senare år upphört att uppfyllas, och till och med mikroprocessortillverkare har gått bort från något sådant som en teknisk sak bearbeta. Nanometer, som alla pratar om nu, är mer en marknadsföringsgrej.
Nu finns det en ny utvecklingsgren inom litografi -extrem ultraviolett, där de lyser vid en våglängd av 13,5 nm. Detta är en rekordvåglängd som kan erhållas stabilt och göra chips i gränsen 2-3 nm, vilket minskar diffraktionsgränsen med olika optiska knep. Men vad som ska göras härnäst är oklart. En återvändsgränd är möjlig i minskningen av transistorer vid horisonten på 5–10 år.
Danila Shaposhnikov
Det är här den grundläggande skillnaden kan hjälpa.kvant- och klassisk beräkning. Klassiska är sekventiella, och kvantmodeller låter dig naturligtvis göra helt parallella beräkningar. Det vill säga att varje kvantbit kan beräkna parallellt med de andra kvantbitarna i systemet. I det här fallet kan en bit ha flera tillstånd samtidigt - vara både noll och ett. Eller till och med ett flernivåsystem, men mainstreamen är nu en qubit, den har två nivåer. Datorkraften växer exponentiellt med tillägg av qubits till systemet (2n). Och i det vanliga systemet växer det kvadratiskt (n2).
Modern vetenskap är i förståelsestadiet,vad är kvantmekanik. Alla partiklarnas lagar, atomernas interaktion med varandra beskrivs av kvantmekanikens lagar. Denna vetenskap skiljer sig från vad som kom före den. Till exempel, inom kvantmekaniken finns principen om superposition, på grund av vilken dimensionen av tillståndsrummet växer exponentiellt.
En klassisk dator klarar det helt enkelt inte.simulera. En kvantdator i sig är byggd på sådana fenomen och kan arbeta med sådana system. Plus, i det kvantmekaniska systemet finns det sannolikhetsamplituder med komplexa tal - vanliga datorer har inte detta.
Om vi tar problemet med att utöka något antal till2048 bitar, sedan kommer den klassiska algoritmen att bryta ner den i tusen steg och om 1 000 000 000 000 år. Och Shors algoritm, om det fanns en kvantdator med rätt antal qubits, skulle göra det i 107 steg - cirka 10 sekunder. Än så länge finns det inga sådana kvantdatorer, men de som redan kan göra vad en klassisk dator skulle ta enormt lång tid att göra.
– Kommer kvantdatorer att motivera de förhoppningar som redan har ställts till dem?
Låt oss först förstå vad som krävs för att skapa en kvantdator. Fysikern David di Vincenzo formulerade fem grundläggande kriterier korrekt:
- Definiera vad en qubit är. De är olika, idag finns det flera välkända plattformar - på atomer, joner, supraledare, fotoner.
- Kunna införa en qubit i en superposition.Förstå hur man får en qubit att vara både noll och en samtidigt. I var och en av plattformarna är introduktionen till superposition en separat uppgift, och detta kan göras av olika fysiska principer.
- Det är nödvändigt att skapa qubits och quantum intrassling mellan dem, för att kunna kontrollera dem, för att bygga portar baserade på dem.
- Behåll detta sammanhängande tillstånd så länge som möjligt.
- Gör mätningar på vår kvantdator.
Om du till exempel mäter en kvantbit ändras dess tillstånd och den kan inte klonas.Eller brus, elektromagnetiska vågor, partiklar har en dålig effekt på systemet, så de flesta plattformar svalnarhela systemet till låga temperaturer för att minimera påverkan av buller och damm.Allt detta komplicerar skapandet av kvantdatorer, så nu finns det som mest cirka 130 kvantbitar.IBM släppte till exempel ett system med 128 kvantbitar.
Det finns många tekniska komplexiteter bakom varje steg i utvecklingen av en kvantdator.
Men det finns inte bara fysiska, utan också logiskaqubits. Vad är skillnaden? Noggrannheten för kvantberäkning bör vara cirka 99,99999999999999 % - då anser vi att den är mycket hög. Men idag flyter det från 90 till 99%, det här är mycket låga parametrar, det är svårt att beräkna exakt med deras hjälp, andelen fel kommer att vara hög. För att uppnå den önskade nivån gör de logiska qubits, det vill säga de gör en logisk qubit från ett stort antal fysiska qubits, programfelskorrigeringsprotokoll, en algoritm på den, och det visar sig att detta är en qubit med hög noggrannhet Betygsätta.
Så om vi går tillbaka till de fysiska kvantbitar som en kvantdator är tänkt att byggas på så är branschen i ett tidigt skede, ett tiotal logiska kvantbitar.Under de kommande åren förväntar vi oss att nivån hundra logiska kvantbitar kommer att kunna uppnås.Detta kommer redan att göra det möjligt att göra intressanta saker, såsom ruttoptimering, kliniska tester, syntetiskt skapande av kliniska data, proximalisering av kvantsimuleringar och optimering av finansiella portföljer.Som jämförelse krävs det cirka 1 000 logiska kvantbitar för att knäcka RSA-algoritmer.
Vid det här laget måste vi göra en liten utvikning och säga att det idag finns ytterligare en svårighet med kvantdatorer: kvantminnet har ännu inte uppfunnits.Under de kommande 10 åren kommer kvantdatorer därför att fungera tillsammans med klassiska datorer.
Det strategiska långsiktiga målet är att skapa en universell kvantdator. Detta kräver mer än 10 000 logiska qubits, pålitlig kontroll av multi-qubit-grindar och kvantminne.
Vad kommer kvantdatorer att förändras?
– De kan lösa en lång rad problem , till exempel inom biovetenskapen.Just nu kan vi inte modellera ens måttligt komplexa molekylära föreningar.Därför tillverkar forskare syntetiska molekyler och experimenterar ständigt. Simuleringar är starkt begränsade av storleken på molekylära system och noggrannhetsparametrar.På grund av detta tar det cirka tio år att skapa ett nytt läkemedel.Och en kvantdator som kan simulera ett kvantmekaniskt system kommer att öka hastigheten radikaltprocess.
Eller så försöker de göra proteinveckning nuRöntgenstrålar, knepiga magnetiska resonanser. Och om det finns en kvantdator kommer den att kunna simulera det här systemet, och vi kommer att förenkla vårt liv med att skapa droger. Utvecklingen av nya material för rymdflyg, motorer och supraledande system kommer också att accelerera. Det kommer nya elektrolyter till batterier, som har legat på nivån 200-250 Wh per kilo vad gäller energitäthet per massa i 20 år. Vi kan inte göra bättre, eftersom vi inte modellerar bra ännu.
Det är omöjligt att ens räkna upp alla tillämpningar av kvantdatorer som kan uppfinnas i en intervju.Även om det bara kan påskynda några processer för viktiga operationer (som Fouriertransformen), kommer det redan att vara detOch detta är bara ett steg mot skapandet av en universell kvantdator.Det är därför det finns en sådan hype.
"Men de kan bara användas inom vetenskapens gränser?"
– Nej, i någon form av optimering – till exempel där grafteori används. De används redan för att optimera finansiella portföljer, rutter och optimera AI-algoritmer.
"Qubits är bra, men detta betyder inte hastigheten och noggrannheten i beräkningen"
– Finns det några andra problem som det inte är klart hur man ska lösa? Vad kan stoppa framstegen?
– Den viktigaste är skapandet av qubits i en storantal och deras bindning, hela systemets livslängd. Till exempel, om systemets livslängd är 0,001 sekunder, kanske du inte har tid att beräkna något viktigt. Vi måste fundera på hur vi ska behålla kvaliteten på beräkningar och skala dem.
Låt oss ta företaget IonQ – de investerade i detrespekterade investeringsfonder från hela världen, blev det till och med börsnoterat. De gör system med joner, och problemet är att det finns jonfällor, men det finns en gräns för hur många joner som kan fångas. Och vi måste komma på en mekanism för att koppla fällor till varandra. Det finns fortfarande stora problem med detta - det hindrar kraftigt skalningen av systemet. Andra plattformar har liknande allvarliga problem.
Det finns fortfarande problem med utrustningen - ibland underkvantdatorer måste uppfinna nya enheter. Till exempel specialoptik, lasrar, vakuumutrustning, kryogena kammare. Det finns många problem, men detta är utvecklingens väg - mikroelektroniken har redan passerat den. Detta är normalt: industrin anpassar sig till varje ny process och uppfinner nya ledande metaller och andra upptäckter. Det är bara det att hela systemet fortfarande är i ett tidigt stadium av mognad.
Det största problemet med att skapa kvantdatorer är skapandet av qubits i stort antal och deras bindning, hela systemets livslängd
– Som icke-specialister som är intresseradekvantdatorer, för att förstå om en ny upptäckt verkligen är ett steg framåt för den här branschen eller en annan nyhet för klickens skull? Vad ska man vara uppmärksam på? Till exempel, är antalet qubits en indikator?
– Det är bättre att försöka lista ut det på flerdjup nivå. Om du inte förstår alls, kommer dessa riktmärken mycket ytligt att avslöja essensen av framsteg och ibland till och med vilseleda dig. Som till exempel med antalet qubits - i själva verket är detta bra, men det säger inte hur mycket systemet kan beräkna och med vilken noggrannhet.
För mig är antalet sammankopplade logiska qubits, noggrannheten i beräkningen, systemets livslängd och förmågan att beräkna praktiska algoritmer viktiga.
— Utvecklingen av kvantdatorer är lång,dyrt och svårt. Därför verkar det som om ett mycket begränsat antal organisationer gör detta. Betyder detta att sådana enheter bara kommer att fungera till förmån för företag och stater?
- De som gjorde en mer eller mindre fungerande maskin,vanligtvis öppen för det molnåtkomst. Och du kan skriva dina egna kvantkretsar och beräkna algoritmer. Varje utvecklare är intresserad av att öka antalet praktiska uppgifter som kan utföras på sin kvantdator, så kostnaden minskar.
Att döma av antalet investeringar i sektorn kan vi dra slutsatsen att det har gjorts framsteg.Detta är en indirekt parameter – om hundratals investerare investerar och branschen växer, säger dettaOch sedan 2019 har antalet investeringar ökat – från300 miljoner dollar till 2,3 miljarder dollar.Praktisk.
Men samtidigt finns det bara 80 organisationer somgöra kvantdatorer. Men siffrorna säger att 1,5 miljarder investerades i hårdvara, av dessa tog 12 företag lejonparten. Här behövs specialister inom kvantfysik, matematik, ingenjörer är mycket efterfrågade. Ett intressant faktum: den sovjetiska skolan anses stark här. Vi pratade med många av de 260 aktiva företagen inom detta område – 20 % av dem har ryska ingenjörer, fysiker eller matematiker.
"Antalet qubits säger inte hur mycket systemet kan beräkna och med vilken noggrannhet"
"Ryska vetenskapsmän ligger 3-5 år efter världens vetenskapsmän"
— Och hur är det med kvantteknologier i Ryssland?
- Inte riktigt.Ryssland har ett program och en färdplan för utveckling av kvantteknik med en budget på cirka 1 miljard dollar fram till 2024. Programmet är uppdelat i flera färdplaner - kvantberäkning (övervakad av Rosatom), kommunikation (Russian Railways och Center for Metrology) och sensorer (Rostec). Gazprombank är också med i hela det här spelet, eftersom de är huvudinvesteraren i kvantcentret. Till exempel har en speciell kvantkommunikationslinje mellan Moskva och St. Petersburg redan dykt upp - detta är huvudprotokollet för kvantkryptografi idag.
Förmodligen är de viktigaste aktörerna inom kvantberäkningar RCC, FIAN och Moscow State University.
Vilken utveckling har de värda att prata om?
– Enligt färdplanen gör de quantumdatorer på olika plattformar - atomer, joner, fotoner, supraledare. Enligt mina känslor ligger de 3-5 år efter världsföretagen. Men de har seriös personal och förhållningssätt - de kommer definitivt att utveckla något användbart.
— Forskare är rädda för att tekniken ska komma över styr? Försöker de redan reglera det?
– Vi är fortfarande på väg mot reglering, samtidigt som alla är oroligaskapande av hårdvara. Så fort något allvarligt dyker upp kommer det att komma till restriktioner. Men alla är rädda för sin data. Till exempel är det nu möjligt att säkra data med kvantkryptering och minska sannolikheten för att en kvantdator ska kunna knäcka den. Men om någon har kopierat datan och väntar på att en kvantdator ska dyka upp kommer han att kunna dekryptera den senare. Nu är detta det huvudsakliga bekymret.
Läs mer:
Katapult skickar NASA-satelliter upp i himlen
En gigantisk magnetisk storm närmar sig jorden
Återskapa solen på jorden: hur fysiker löste huvudproblemet med termonukleär fusion