«Класичний комп'ютер розкладе число в 2048 біт за 1 000 000 000 000 років. А квантовий комп'ютер – за 10 секунд»
-
- Створення квантового комп'ютера - одна зфундаментальних проблем фізики ХХІ ст. Минулого тижня навіть Нобелівську премію дали фізикам за демонстрацію квантової заплутаності, що лежить в основі квантових комп'ютерів. Якщо ви знаєте про закон Мура (кількість транзисторів на кристалі інтегральної схеми, подвоюється кожні два роки — ред.), то останні роки він перестав виконуватися, і навіть виробники мікропроцесорів уникли такого поняття, як техпроцес. Нанометри, про які зараз усі говорять, це скоріше маркетингові штуки.
Зараз у літографії є нова гілка розвитку.екстремальний ультрафіолет, де світять завдовжки хвилі 13,5 нм. Це рекордна довжина хвилі, яку можна отримувати стабільно і робити чіпи в межах 2-3 нм, знижуючи дифракційну межу різними оптичними хитрощами. Але що робити далі — незрозуміло. Можливий глухий кут у зменшенні транзисторів на горизонті 5–10 років.
Данило Шапошников
Тут може допомогти фундаментальна відмінністьквантових та класичних обчислень. Класичні - послідовні, а квантові природним чином дозволяють робити повністю паралельні обчислення. Тобто кожен квантовий біт може обчислювати паралельно коїться з іншими квантовими бітами системи. При цьому біт може мати кілька станів одночасно бути і нулем, і одиницею. Або взагалі багаторівневою системою, але мейнстрім зараз — кубить, має два рівні. Обчислювальна потужність зростає експоненційно з додаванням кубітів до системи (2n). А у звичайній системі вона зростає квадратично (n2).
Сучасна наука перебуває у стадії розуміння,Що таке квантова механіка. Усі закони частинок, взаємодії атомів між собою описуються законами квантової механіки. Ця наука відрізняється від того, що було до неї. Наприклад, у квантовій механіці є принцип суперпозиції, завдяки якому розмірність простору станів зростає експоненційно.
Класичний комп'ютер просто не може цезмоделювати. А квантовий комп'ютер сам побудований на таких явищах та вміє працювати з такими системами. Плюс у квантомеханічній системі є амплітуди ймовірності з комплексними числами — звичайні комп'ютери такого не мають.
Якщо взяти завдання з розкладання якогось числа в2048 біт, то класичний алгоритм буде розкладати його за тисячу кроків і за 1 000 000 000 000 років. А алгоритм Шора, якби квантовий комп'ютер з потрібною кількістю кубить, зробить це за 107 кроків — приблизно 10 секунд. Поки що таких квантових комп'ютерів немає, але ті, які є, вже вміють робити те, на що класичному комп'ютеру знадобиться величезна кількість часу.
— Квантові комп'ютери виправдають надії, які на них уже поклали?
— Спершу зрозуміємо, що потрібно для появи квантового комп'ютера. Фізик Девід ді Вінченцо грамотно сформулював п'ять основних критеріїв:
- Сформулювати, що таке кубіт. Вони бувають різні, сьогодні є кілька відомих платформ – на атомах, іонах, надпровідниках, фотонах.
- Вміти вводити кубіт у суперпозицію.Зрозуміти, як зробити так, щоб кубіт одночасно був банкрутом та одиницею. У кожній із платформ введення в суперпозицію — окреме завдання, і це дозволяють робити різні фізичні принципи.
- Потрібно створити кубити та квантову заплутаність між ними, вміти їх контролювати, будувати вентилі на їх базі.
- Зберігати цей когерентний стан якомога довше.
- Вимірювати над нашим квантовим комп'ютером.
За кожним з цих явищ стоїть багато інженернихскладнощів. Наприклад, якщо виміряти кубит, його стан зміниться і його не можна клонувати. Або шуми, електромагнітні хвилі, частинки погано впливають на систему, тому більшість платформ охолоджують всю систему до низьких температур, щоб мінімізувати вплив шумів та пилу. Але працювати в кріогеніці набагато складніше. Все це ускладнює створення квантових комп'ютерів, тому зараз є максимально близько 130 кубитів. Наприклад, IBM випустив 128-кубітну систему.
За кожним етапом розробки квантового комп'ютера стоїть багато інженерних складнощів.
Але є не лише фізичні, а й логічнікубити. У чому різниця? Точність квантових обчислень має бути близько 99,9999999999999% — тоді ми вважаємо, що вона дуже висока. Але сьогодні вона плаває від 90 до 99%, це дуже низькі параметри, з їхньою допомогою складно обчислювати точно, відсоток помилок буде високим. Щоб досягти потрібного рівня, роблять логічні кубити, тобто з великої кількості фізичних кубитів роблять один логічний кубит, програмують на нього протоколи корекції помилок, алгоритм і виходить, що це один кубит з високим показником точності.
Тому, якщо повернутися до фізичних кубитів, наяких і повинен робитися квантовий комп'ютер, - індустрія знаходиться на ранньому етапі, приблизно на рівні десяти логічних кубітів. Найближчими роками очікуємо, що буде досягнутий рівень стологічних кубітів. Це вже дозволить робити цікаві речі – оптимізація маршрутів, клінічні тести, синтетичне створення клінічних даних, проксимація квантових симуляцій, оптимізація фінансових портфелів. Для порівняння: щоб зламати алгоритми RSA потрібна приблизно тисяча логічних кубітів.
Тут потрібно зробити невеликий відступ ісказати, що сьогодні в квантових обчисленнях є ще один поспіль складнощів - поки не придумана квантова пам'ять. Тому в найближчі 10 років квантові обчислення працюватимуть у зв'язці із класичними комп'ютерами.
Стратегічне довгострокове завдання – створення універсального квантового комп'ютера. Для цього потрібно понад 10 000 логічних кубітів, надійне керування багатокубітними гейтами, квантова пам'ять.
- Що змінять квантові комп'ютери?
— Вони вміють вирішувати величезне коло завдань- наприклад, для біонаук. Нині ми можемо змоделювати навіть середні за складністю молекулярні сполуки. Тому вчені роблять синтетичні молекули та постійно експериментують. Моделювання сильно обмежене розмірами молекулярних систем та параметрами точності. Через це створення нових ліків займає років десять. А квантовий комп'ютер, який здатний змоделювати механічну квантову систему, радикально прискорить процес.
Або фолдинг білка зараз намагаються зробитирентгенівськими променями, хитрими магнітними резонансами. А якщо буде квантовий комп'ютер, він зможе змоделювати цю систему і ми спростимо собі життя у створенні ліків. Ще прискориться розробка нових матеріалів для космічних польотів, двигунів, надпровідних систем. З'являться нові електроліти для батарейок, які вже 20 років стоять на рівні 200-250 Вт*год. на кілограм за щільністю енергії на масу. Зробити краще не виходить, тому що ми поки що погано моделюємо.
За одне інтерв'ю неможливо навіть перерахувати всеті застосування квантових комп'ютерів, які можна вигадати. Навіть якщо він просто зможе прискорити лічену кількість процесів важливих операцій (типу перетворення Фур'є) — це вже буде серйозним прогресом. А це лише один крок до створення універсального квантового комп'ютера. Тож такий хайп.
— Але їх можна використовувати лише в межах науки?
— Ні, в будь-яких видах оптимізації, наприклад, там, де використовується теорія графів. Їх вже застосовують для оптимізації фінансових портфелів, маршрутів, оптимізації ІІ-алгоритмів.
"Кубіти - це добре, але це не говорить про швидкість і точність обчислення"
— Чи є ще якісь проблеми, які незрозуміло, як вирішити? Що може зупинити прогрес?
- Основна - це створення кубитів у великому.кількості та їх зв'язування, час життя усієї системи. Допустимо, якщо час життя системи 0,001 секунда, то можна не встигнути обчислити щось важливе. Треба думати, як утримувати якість обчислень та масштабувати їх.
Візьмемо компанію IonQ - у неї проінвестувалишановні інвестиційні фонди з усього світу, вона навіть стала публічною. Вони роблять системи на іонах, і проблема в тому, що там є іонні пастки, але є межа кількості іонів, яку можна вловити. І треба вигадати механізм зв'язування пасток між собою. З цим поки що великі проблеми — це сильно заважає масштабувати систему. Інші платформи мають схожі серйозні проблеми.
Ще є проблеми з обладнанням — іноді підКвантові комп'ютери потрібно винаходити нові пристрої. Наприклад, спеціальну оптику, лазери, вакуумне обладнання, кріогенні камери. Проблем багато, але це шлях розвитку – мікроелектроніка вже пройшла його. Це нормально: під кожен новий процес промисловість адаптується і вигадуються нові провідні метали та інші відкриття. Просто вся система поки що на ранній стадії зрілості.
Основна проблема при створенні квантових комп'ютерів - це створення кубитів у великій кількості та їх зв'язування, час життя всієї системи
— Як не фахівцям, які цікавлятьсяквантовими комп'ютерами, розуміти, чи справді нове відкриття — крок уперед для цієї галузі чи чергова новина задля кліків? На що звернути увагу? Наприклад, кількість кубитів – це показник?
— Краще спробувати розібратися в цьому більшглибокому рівні. Якщо зовсім не розумієш, ці бенчмарки дуже поверхово розкриють суть прогресу, а іноді навіть введуть в оману. Як, наприклад, із кількістю кубитів — насправді це добре, але не говорить про те, наскільки система вміє обчислювати і з якою точністю.
Для мене важливою є кількість пов'язаних між собою логічних кубітів, точність обчислення, час життя системи та здатність обчислювати практичні алгоритми.
— Розробка квантових комп'ютерів — це довго,дорого та складно. Тому здається, що цим займається дуже обмежена кількість організацій. Чи не означає це, що такі пристрої працюватимуть лише на користь корпорацій та держав?
— Ті, хто зробили більш-менш працюючу машину,зазвичай відкривають до неї хмарний доступ. І можна писати свої квантові схеми та рахувати алгоритми. Кожен розробник зацікавлений у збільшенні кількості практичних завдань, які можна робити на їхньому квантовому комп'ютері, тому вартість здешевлюється.
За кількістю інвестицій у сектор можна зробитивисновок у тому, що прогрес є. Це опосередкований параметр — якщо сотні інвесторів вкладають і галузь зростає, це багато про що говорить. І з 2019-го кількість інвестицій зростає — від $300 млн до $2,3 млрд. Мабуть, ми близькі до рішень, які стануть практичними.
Але при цьому є лише 80 організацій, якіроблять квантові комп'ютери. Але цифри кажуть, що у hardware проінвестували 1,5 млрд. І з них левову частку забрали 12 компаній. Фахівці тут потрібні у квантовій фізиці, математиці, інженери нарозхват. Цікавий факт: радянська школа тут вважається сильною. Ми поспілкувалися з багатьма із 260 активних компаній у цій сфері — у 20% із них є російські інженери, фізики чи математики.
"Кількість кубитів не говорить про те, наскільки система вміє обчислювати і з якою точністю"
"Російські вчені відстають від світових на 3-5 років"
— А всередині Росії як із квантовими технологіями?
- Не дуже.У Росії є програма та дорожня карта розвитку квантових технологій з бюджетом приблизно $1 млрд до 2024 року. Програма розділена на кілька дорожніх карт - квантові обчислення (курує Росатом), комунікації (РЗ та Центр метрології) та сенсори (Ростех). «Газпромбанк» теж у всій цій грі, бо вони є основним інвестором квантового центру. Наприклад, вже з'явилася спеціальна квантова лінія зв'язку між Москвою та Петербургом – це основний протокол квантової криптографії сьогодні.
Напевно, основні гравці в квантових обчисленнях - це РКЦ, ФІАН, МДУ.
— Які мають розробки, про які варто поговорити?
— За дорожньою картою вони роблять квантові.комп'ютери різних платформах — атомах, іонах, фотонах, надпровідниках. На мою думку, вони відстають від світових компаній на 3–5 років. Але вони мають серйозні кадри і підхід — вони однозначно розроблять щось корисне.
— Дослідники побоюються, що вийде технологія з-під контролю? Її вже намагаються регулювати?
— Ми поки що на шляху до регуляції, поки всі стурбованістворенням hardware. Щойно з'явиться щось серйозне, дійде і до обмежень. Але всі бояться за свої дані. Наприклад, зараз можна захистити дані квантовим шифруванням та знизити ймовірність того, що квантовий комп'ютер зможе це зламати. Але якщо хтось скопіював дані і чекає, поки з'явиться квантовий комп'ютер, він зможе їх потім розшифрувати. Нині це і є основне побоювання.
Читати далі:
Катапульта відправила у небо супутники НАСА
Гігантська магнітна буря наближається до Землі
Створити Сонце на Землі: як фізики вирішили головну проблему термоядерного синтезу