Несмотря на мнение большинства людей, квантовая механика далеко не новичок в мире технологий. Этому понятию почти 120 лет.
Макс Планк, немецкий физик-теоретик, впервые представил квантовую теорию в 1900 году, за которую в дальнейшем получил Нобелевскую премию по физике. Затем, в 1959 году, радикально мысливший американский физик-теоретик, Ричард Фейнман посадил семена квантовых вычислений: он предложил использовать квантовую механику для создания нового типа компьютера.
С тех пор, несмотря на всю сложность, человечество добилось значительных успехов в разработке небольших работающих квантовых компьютеров и ограниченного набора квантовых алгоритмов.
Однако некоторые ученые, например, Робин Блюм-Кохоут и Кевин Янг из Национальной лаборатории Сандиа, смотрят на данный прогресс квантовых вычислений с другой точки зрения. Они считают, что они находятся на той же стадии, что и классические вычисления в конце 1930-х годов, передает Forbes.
Компания IBM называет это этапом Quantum Ready. Это говорит о том, что настало время сойти начать подготовку систем, людей и ресурсов к эпохе квантовых вычислений. По общему мнению, полномасштабные квантовые вычисления не будут маленькой волной перемен; это будет технологическое цунами.
Большинство исследователей сходятся во мнении, что квантовые вычисления все еще находятся на экспериментальной стадии. Правда в том, что обычный компьютер может делать то же, что и современный квантовый.
Однако, исходя из громадных шагов нанотехнологий, есть все основания полагать, что положение дел очень скоро измениться.
Квантовое превосходство – модное словечко. До сих пор это было невозможным ориентиром для квантовых исследователей. Оно описывает способность квантовых компьютеров решать проблемы, с которыми не могут справиться классические компьютеры.
Несмотря на скептические взгляды, Google намекнул, что разработанный компанией 72-битный квантовый процессор под названием Bristlecone достигнет технического превосходства над стандартными уже в 2019 году. Bristlecone – уменьшенная версия своего старшего брата на девять кубитов (кубит – это квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере; то же что и бит, но немного отличается свойствами). Масштабирование кубитов обычно увеличивает шум и ошибки системы, но Google отлично справился с задачей контроля квантовых ошибок с Bristlecone.
Первая в мире демонстрация квантового превосходства станет важной вехой не только для квантовых вычислений, но и для всего научного сообщества.
Преодоление этого барьера будет столь же значительным, как и захватывающая победа IBM Deep Blue в 1997 году над чемпионом мира по шахматам Гари Каспаровым. Это поражение было не только тем, что компьютер интеллектуально «избивал» человека. Данное событие сигнализировало превосходство компьютерной логики над опытным человеческим мышлением.
Если ожидания в отношении квантовых компьютеров оправдаются, то как полагает Moor Insights & Strategy, это будет самая разрушительная технология со времени изобретения микропроцессоров. Вот несколько областей, где квантовые вычисления окажут значительное влияние:
Новые химикаты, лекарства и материалы могут быть смоделированы, модифицированы и разработаны с индивидуальными свойствами для разработки новых фармацевтических, коммерческих и бизнес-продуктов.
Сегодня мы используем суперкомпьютеры для решения различных задач по оптимизации, таких как моделирование по методу Монте-Карло, применение энергии и цены на облигации. Квантовые компьютеры обеспечат более надежное моделирование и в гораздо большем масштабе, чтобы обеспечить более глубокое понимание, более высокую эффективность и лучшее прогнозирование.
Сочетание квантовых вычислений и искусственного интеллекта – почти пугающая мысль. Искусственный интеллект может стать на порядок умнее, чем сегодня.
Потребуется еще три-пять лет, чтобы разработать квантовый компьютер среднего масштаба. Д-р Джеффри Уэлсер, вице-президент IBM Research, выступил с основным докладом на SEMICON West. Он сказал, что пройдет еще 10–15 лет, прежде чем мы осознаем реальные преимущества квантовых вычислений.
Несмотря на прогнозируемое долгосрочное развитие, крупные компании, которые полагаются на сложные финансовые или научные модели своей продукции или отрасли, не должны ждать, чтобы войти в квантовую игру.
За 2018 год было много ажиотажа в СМИ о квантовых компьютерах. Большая часть информации была одинакова по содержанию, некоторая – преувеличена. Несмотря на ряд ошибочных статей, люди узнали, что квантовые компьютеры работают быстрее и имеют большую вычислительную мощность, чем классические компьютеры. Однако реальная ценность квантовых вычислений заключается в способности решать сложные проблемы, которые слишком сложны или даже невозможны для традиционных компьютеров.
Как бы фантастически это ни звучало, проблемы, на решение которых традиционным компьютерам потребуется потратить огромное количество времени – миллиарды и миллиарды лет – для квантовых компьютеров займут всего несколько секунд.
Эта потрясающая сила возможна потому, что квантовые машины полностью отличаются от классических компьютеров. Они полагаются на особенные свойства, которые существуют только в области квантовой механики, и дают им экспоненциально большие возможности хранения и обработки информации.
В основе способности квантовых вычислений выполнять молниеносные действия и принимать огромные объемы данных лежит использование ионов, сверхпроводников и частиц света (фотонов).
Классическая физика описывает, как большие предметы ведут себя и взаимодействуют в нашем физическом мире. Квантовая теория – это все о необычайном и необъяснимом взаимодействии мелких частиц в невидимом мире атомов, электронов и фотонов.
У каждой квантовой частицы две стороны: она может вести себя как электрочастица и волна. Как только вы измеряете ее, волновые способности разрушаются, и она выглядит как заряженная частица.
Суперпозиция. Квантовые системы, построенные на кубитах, могут существовать одновременно в нескольких состояниях. Кубит может быть единицей или нулем (так же, как и бит). Однако он также может быть любым числом в этом диапазоне. Данное явление получило название суперпозиции. Если операция применяется к кубиту, когда он находится в состоянии суперпозиции, это повлияет на оба состояния одновременно.
Состояние запутанности. Запутанные кубиты действуют аналогично. Если два кубита запутаны, то состояние каждого кубита зависит от другого кубита. Теоретически, можно запутать несколько тысяч кубитов (пока нет технологии, чтобы это сделать в таких масштабах). Если произвести операцию на одной частице из тысячи, можно сразу определить состояние всех кубитов. Даже если отделить запутанные частицы друг от друга, они могут оставаться запутанными. Китай недавно установил рекорд, создавая запутанность между частицами на спутнике и частицами на Земле.
Когерентность. Время, в течение которого кубит сохраняет свое состояние запутывания или суперпозиции, называется когерентностью. Чем дольше время когерентности, тем лучше, поскольку оно позволяет выполнять больше вычислений.
Телепортация. Звучит как сказка, но это не так. Это свойство неотъемлемая часть квантовой механики. Нужна всего пара запутанных частиц, чтобы сделать телепортацию. Она состоит из копирования состояния одной частицы в другую запутанную частицу, а затем уничтожения исходного состояния. При этом телепортация возможна на расстояния.
Квантовые компьютеры на основе гейтов и квантовые отжигатели – это кошки и собаки квантовых компьютеров. Обе технологии используют сверхпроводящую архитектуру и требуют охлаждения процессоров до почти абсолютных нулевых температур. Несмотря на их сходство, эти два типа сильно различаются.
Квантовые компьютеры на базе гейтов – яркая технология будущего. Они предназначены для решения общих задач и выполнения моделирования. Их кубиты взаимодействуют друг с другом во время вычислений, а не действуют в одиночку, как это делают квантовые отжигатели. Как следует из названия, основанная на затворе машина использует квантовые врата и может запускать произвольные квантовые алгоритмы. Они чувствительны к шуму и для правильной работы нуждаются в исправлении ошибок. Исправление ошибок на сегодняшний день имеет очень большие издержки с точки зрения пространства, аппаратного обеспечения и логики.
С технической точки зрения компьютеры на базе шлюзов являются очень сложными машинами. Однако теория квантовых компьютеров, основанных на затворах, очень зрелая, а это значит, что известно, что нужно сделать. Просто ученые еще не знают, как.
Основными компаниями в области квантовых компьютеров являются Google, IBM, Intel, Ion Q, Microsoft и Rigetti. Все они уже имеют квантовые процессоры на основе затвора, но используют разные технологии кубитов.
Квантовые отжигатели. В то время как основанные на затворе компьютеры предназначены для решения большинства проблем, квантовые отжигающие устройства являются компьютерами специального назначения, которые лучше всего работают для определенных типов задач оптимизации и выборки.
Большинство из нас изучали глобальные минимумы, локальные минимумы и проблемы оптимизации в алгебре старших классов. Если вы можете вспомнить это в далеком прошлом, то у вас уже есть представление о том, как работают квантовые отжигатели.
Компания D-Wave является доминирующим разработчиком в области квантового отжига. Она использует сверхпроводящий процессор с 2048 кубитами. Чтобы решить задачу его промышленного внедрения, компания рассматривает все возможности, исследуя самые низкие энергии и значения. Это сильно отличается от машин на основе квантовых затворов: D-Wave не может манипулировать отдельными кубитами во время вычислений, поэтому необходимо масштабироваться до 2048 кубитов. Технология не требует исправления ошибок и запускает только один квантовый алгоритм.
Конечной целью для квантовых вычислений является полностью функциональный, универсальный отказоустойчивый компьютер. Чтобы достичь этого, нужны тысячи, может даже миллионы кубитов, которые обеспечат запуск произвольных квантовых алгоритмов и решение чрезвычайно сложных задач и моделирования.
Прежде чем человечество сможем построить такую квантовую машину, предстоит проделать большую работу.
