Что надо знать о квантовых вычислениях
Об эксперте: Руслан Юнусов, глава Национальной квантовой лаборатории.
Квантовые вычисления — самое загадочное и пока еще не изученное направление из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров — все это ожидают от квантового компьютера уже в ближайшее десятилетие.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.
Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.
Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.
Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Поскольку ученые строят квантовые компьютеры на нескольких разных платформах (их мы обсудим чуть ниже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.
Современные квантовые компьютеры на сверхпроводниках внешне больше напоминают люстры в стиле стимпанк и функционируют при определенной температуре: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат. Если в помещении становится теплее или холоднее, вычислительная машина становится бесполезной. Для работы квантовых компьютеров применяют систему охлаждения на основе жидкого гелия. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этой конструкции подключен ряд традиционных компьютеров для решения задач. Внутри квантовый компьютер состоит из соединений и труб, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.
Для решения любых алгоритмических задач квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако в отличие от битов, кубиты могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря свойству квантовых объектов — суперпозиции. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.
Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, то квантовый аналог в теории управится за 18 секунд.
Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. Это свойство может применяться при поиске информации по базам данных, составлениях маршрута, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Решение задач, для которых нужно перебрать сотни и тысячи вариантов, ускоряется во множество раз.
Сейчас многокубитные квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, а их изготовление — сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня — это установка, которая не предполагает персональное использование на дому. Чтобы работать с этим классом устройств, необходимо обладать специальными компетенциями и уметь раскладывать задачи на понятный машине язык.
Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?
Квантовые компьютеры строятся на четырех основных платформах: сверхпроводящих цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. На самом деле платформ существует намного больше: еще есть интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и др.), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Один компьютер может быть создан на базе нескольких платформ. Все они могут работать отдельно друг от друга.
Квантовая платформа — это физический объект, похожий на чип, на котором размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов.
Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепочках. В отличие от других типов кубитов они хорошо масштабируются, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и легче управляются. Однако сейчас мы видим, что международное квантовое сообщество стало все больше интересоваться ионами.
Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах представил в декабре 2018 года технологический стартап IonQ. Как заявили сами разработчики, построенная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все существующие на рынке аналоги. А в конце 2020 года американская корпорация Honeywell заявила, что ей удалось создать наиболее точный квантовый компьютер на ионах. Вместе с тем, у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры сложно масштабировать из-за аномального нагрева.
Также в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя входят ультрахолодные атомы. Разработкой таких систем чаще всего занимаются академические институты и университеты — например, Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.
Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?
На сегодняшний день квантовые компьютеры и симуляторы функционируют только в лабораториях, и облачный доступ — единственный способ работы с ними для внешних заказчиков. Однако в перспективе использование облачной платформы также экономически более оправдано, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.
Microsoft запустила открытое тестирование собственного сервиса Azure Quantum, который предоставляет облачный доступ к квантовым вычислениям. Час работы с ним стоит от $10 до $900. При этом своего квантового компьютера у Microsoft нет. Система работает на решениях партнеров корпорации, например, компании Honeywell Quantum Solutions и IonQ.
Согласно дорожной карте по квантовым вычислениям, разработанной Госкорпорацией «Росатом» и экспертами из Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в виде пилотного проекта до декабря 2022 года. В 2024 году платформа позволит совершать вычисления на российских квантовых компьютерах.
В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?
Финансы
- оптимизация инвестиционных портфелей;
- предсказание финансовых кризисов;
- предсказание кредитоспособности клиентов;
- построение моделей кредитных рисков;
- защита от мошенничества с помощью анализа истории транзакций;
- распознавание мошеннических действий.
Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.
Медицина и фармацевтика
Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.
Логистика
Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.
Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.
Информационная безопасность
Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.
Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.
Химическая промышленность
- «Кванты» помогут создать новые композитные материалы для таких отраслей экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные составы улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20–40% и повысят износостойкость;
- применение квантовых сенсоров в производстве материалов позволит отследить критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.
Какие квантовые компьютеры уже есть в мире и в России?
Собственные квантовые компьютеры строят корпорации Google, IBM, Intel, а также компании поменьше — D-Wave и стартап Rigetti. Компания D-Wave создала машину для квантового отжига на 5 тыс. кубитах, которая превосходит прошлое поколение устройств по размеру, количеству связей между кубитами и скорости работы. Устройство является важным инженерным достижением, в будущем используемым для универсальных квантовых компьютеров. Национальные программы по разработке квантовых компьютеров также созданы и на уровне стран — в Евросоюзе, США, Китае и России.
«Квантового превосходства» в лабораторных условиях первой в мире достигла Google: компьютер Sycamore смог выполнить вычисление за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой операцией за 10 тыс. лет, описывал журнал Nature итоги эксперимента компании.
В России ученые работают над созданием квантового компьютера сразу на четырех платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Согласно утвержденной правительством нашей страны дорожной карте по квантовым вычислениям, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся уже в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводников будет состоять из 30 кубитов, на основе нейтральных атомов и ионов — из 100, фотонов — из 50.
Сегодня в России работают прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Отечественные компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решать задачи моделирования простейших молекул. Эти мощности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (метрика зрелости технологий квантовых вычислений, наивысшим уровнем в ней считается QTRL-9).