Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван «квантовым превосходством», теперь компьютеры смогут делать вычисления на недостижимых для сегодняшних технологий скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технология.

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.

Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.

В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.

Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.

Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.

Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.

Что означает формулировка «квантовое превосходство»?

Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.

В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.

Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».

Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.

Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.

Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?

Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.

Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.

Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.

Чем еще он может заниматься?

• Базы данных и поиск по ним.

Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.

• Приложения к криптографии.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

• Исследования в области искусственного интеллекта.

Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.

• Молекулярное моделирование.

Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств

А что в России?

Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.

Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.

В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.

В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.

Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.

Читать также:

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное

Посмотрите на самый большой айсберг, который сняли с воздуха

Китай впервые протестировал «искусственное Солнце»