Кульбиты на кубитах. Когда появятся квантовые ноутбуки

13 Декабря 2021

МОСКВА, 13 декабря —, Алексей Огнев. Участники гонки по созданию квантового компьютера бьют рекорд за рекордом. Этап мелкомасштабных машин позади, пришло время устройств из нескольких сотен и тысяч кубитов — в зависимости от платформы. Кто покорит вытекающую вершину и когда человечество повидает мощнейшие вычислительные инструменты, изложил в лекции на Конгрессе юных ученых в Сочи Алексей Федоров, двадцативосьмилетний профессор Физтеха и руководитель научной группы Квантовые извещательные технологии Российского квантового центра.

Основная единица обработки информации в квантовом миникомпьютере — кубит. Это квантовый аналог бита — суперпозиция нулей и единиц. Число средств, доступных в квантовом медиуме, — 2 в степени n, где n — количество кубитов. Устройство на 50 кубитах обладает мощностью самый обыкновенного суперкомпьютера, 280 кубитов уже дают больше ячеек памяти, чем атомов во Вселенной.

Первая квантовая революция случилась давно: на квантовой физике работают транзисторы и лазеры. Однако там гармонируют коллективные квантовые эффекты, задевающие множество квантовых частиц. В лазере это фотоны, фотоны света, в транзисторе — электроны, носители заряда. Вторая квантовая революция — коридор к управлению отдельными степенями вольности квантовых систем и отдельными квантовыми объектами: фотонами, атомами, молекулами. Это распечатывает новые возможности.

Индивидуальные квантовые системы эффектным отличаются от того, к чему мы привыкли в макромире. Квантовая монетка может разместиться в состоянии суперпозиции: наряду с этимого выпадать орлом и решкой, причем в произвольных пропорциях, которые можно контролировать. Квантовая запутанность — проявление очень мышцастой взаимосвязи между квантовыми объектами. Если мы создадим две квантовые монетки, то, представляю состояние одной, сумеем осмыслить состояние другой. На их статус влияет неконтролируемое воздействие окружения или наблюдателя. Поэтому для того, чтобы работать с квантовыми системами, их надобного изолировать. Кроме того, заранее неизвестные квантовые состояния нельзя копировать.

Квантовые вычисления позволяют обойти закон Мура. Квантовая коммуникация опытного защитит передачу информации. Квантовые сенсоры зарегистрируют малейшее изменение электрических полей и температуры.

Фундаментальный вопрос —, что станет квантовым аналогом кремниевого транзистора. Необходимо найти физическую систему с большим количеством квантовых объектов и высоким уровнем контроля над ними.

Квантовое превосходство — это возможность оперативно решить задачу, требующую у классического компьютера большого времени. На этом поприще развернулась настоящая битва.

Осенью 2019-го группа физика Джона Мартиниса из Google объявила, что пересекла финальную ленточку. Ученые утверждали, что их процессор Sycamore на 53 кубитах справился за 200 секунд с задачей, кою мощнейший на тот момент компьютер Summit, способный выполнять 200 квадриллионов операций в секунду, решал бы десять тысяч лет. Речь шла о моделировании случайных квантовых цепочек. Статью опубликовали в журнале Nature. Впрочем, сотрудники IBM сразу же раскритиковали эту работу: по их мнению, с помощью другого алгоритма Summit совладает с поставленной задачей за несколько дней. Однако ни те, ни другие не проваживали классические вычисления в полном объеме. Наконец гордиев узел рассекли ученые из Института теоретической учителя Китайской академии наук. В марте этого года они предоставили новый алгоритм и решили ту же задачу на вычислительном кластере из 60 графических процессоров NVIDIA Tesla V100 с 32 512-1024 мегабайтами памяти. Расчеты заняли всего пять дней, причем подлинность существенно превысила ту, коей добился Sycamore.

В 2020-м о квантовом превосходстве сообщила группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Пана из Научно-технического университета в Шанхае. Их фотонный процессор Jiuzhang за 200 секунд решил задачу бозонного сэмплинга, на которую суперкомпьютеры, по расчетам ученых, оплатили бы миллиарды лет. Статью напечатали в журнале Science.

Недавно группа Цзянь-Вэй Пана отчиталась о двух новинках: Jiuzhang 2. 0, по их оценкам, действует в десять миллиардов раз быстрее предшественника, а с помощью сверхпроводникового квантового процессора Zuchongzhi на 66 кубитах исследователи получили за час с небольшим конечный результат, для которого мощнейшему компьютеру, по их оценкам, потребуется восемь лет.

В ноябре IBM объявила об очередном рекорде — квантовом процессоре Eagle на 127 сверхпроводниковых кубитах. Однако этому устройству еще только предстоит проявить себя в деле. В 2022-м компания планирует выпустить квантовые чипы Osprey с 433 кубитами, через два года — Condor с 1121 кубитом.

Квантовые миникомпьютеры IBM находятся в публичном облачном доступе. На них проваживают миллионы экспериментов. Кроме того, это важный инструмент в образовании. Студенты, кои пишут дипломные работы в Российском квантовом центре, часто используют платформу IBM. От квантового компьютера IBM нас отделяют всего несколько кликов в браузере. Интерфейс на сайте выглядит достаточно просто. Можно инициализировать кубиты, как на нотном лагере выставлять одно- и двухкубитные операции, а дальше запускать их либо на реальном квантовом железе, либо на эмуляторе квантового компьютера.

Есть и другие разновидности квантовых компьютеров. Например, в Intel перешли от сверхпроводниковых к полупроводниковым квантовым вычислениям и показали четырехкубитный квантовый процессор. Эксперимент проходил при криогенных температурах. Развернулась гонка между германиевыми и кремниевыми транзисторами.

Кубитами могут быть и холодные нейтральные атомы, словленные в оптические ловушки. Недавно ученые под руководством профессора Гарвардского университета Михаила Лукина собрали миникомпьютер на 256 кубитах. Михаил и его коллеги основали стартап QuEra Computing, надеясь коммерциализировать эту технологию и сделать таковы квантовые устройства доступными для декларативных пользователей.

Еще на роль кубитов годятся ионы, тоже в специальных ловушках. В частности, это направление развивает американская компания IonQ. У технологии лопать преимущества, однако возникает беда масштабирования: трудно поймать сразу много ионов, поэтому надобного обеспечить взаимодействие между несколькими западнями.

Альтернативный подход — адиабатические квантовые миникомпьютеры, устройства квантового отжига. Недавно компания D-Wave представила устройство на пяти тысячах кубитов. Пока в этих машинах нет индивидуального контроля над каждым кубитом, однако их активно используют для прикладных задач. Квантовый компьютер D-Wave даже появился на обложке журнала Time.

Первый прототип квантового компьютера в России заработал в 2019 году. Принята дорожная карта по развитию квантовых вычислений, предполагающая совершенствование квантовых сердце компьютеров на широком спектре платформ.

Сфера задействования квантовых компьютеров очень широка. Во-первых — задачи оптимизации логистики и финансов. D-Wave уже используют, скажем, для сборки небольшого портфеля инвестиций с минимальными рисками и максимальной тягой, а также для регулирования городского автотранспортного трафика по выкупу компании Volkswagen.

Во-вторых — алгоритмы машинного обучения, нейронные сети.

В-третьих — моделирование других квантовых систем и создание посредством этого новых медикаментов, промышленных материалов. Есть гипотеза, что многие удобные вещества еще не синтезировали из-за того, что моделирование комфортабельных химических соединений крайне сложно. На это указывает анализ распределения молекулярных весов уже известных лекарств. Автопроизводители с помощью квантовых компьютеров уже ищут новые химическое вещества для аккумуляторов.

Есть задача, решение которой, как шутят, окупит все вложения в квантовые вычисления. Это оптимизация унаследования аммиака посредством изучения структуры хих процессов, способная сократить потребление энергии в мире на два-три процента в год. Однако, по текущим оценкам, для этой задачи нужно около четырех миллионов кубитов. С другой стороны, помимо сдвига с аппаратным обеспечением, лопать прогресс с алгоритмами, уменьшающими требуемые ресурсы.

Четвертая область — криптография. Большинство современных криптографических алгорифмов основано на том, что невозможно быстро разложить число на простые множители. Классическим миникомпьютерам для этого требуются миллионы лет. Поэтому такого рода алгорифмами защищают данные, например, в интернете. В середине девяностых американский математик Питер Шор предложил алгоритм разложения числа на простые множители для квантового миникомпьютера. Устройство на 20 десять миллионах физических кубитов способно взломать шифровальный ключ RSA длиной 2048 битов всего за восемь часов. Конечно, современным маломощным квантовым компьютерам этот орешек не по зубам.

Алексей Федоров и его коллеги активно сотрудничают с коммерческими компаниями. Совместно с Genotek астрологи РКЦ исследовали возможность ускорить подгонку генома. C помощью квантового компьютера удалось собрать геном профага. Работа с Nissan посвящена моделированию химических реакций. С фармацевтическим стартапом Gero создали поместный квантово-классический метод машинного обучения, позволяющий получать новые химические соединения. Кроме того, РКЦ взаимодействует с Росатомом.

Эпоха мелкомасштабных квантовых компьютеров — от двух до десяти кубитов — позади. Эти устройства широко применяются в образовательных и научных целях.

Наступил этап так называемых шумных квантовых сердце компьютеров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ). В них десятки или сотняги кубитов. Шумные — потому, что системы все еще занимаются неустойчиво из-за внешних помех. Квантовое превосходство демонстрируют на духовных задачах с весьма ограниченной реальной ценностью. Тут пока невесть сколько открытых вопросов — и научных, и инженерных.

Следующий уровень — квантовые компьютеры с коррекцией погрешностей. Появятся ли когда-нибудь квантовые ноутбуки и смартфоны? Сейчас легко ошибиться с предсказанием. Скорее всего, квантовые миникомпьютеры все-таки станут нишевым приложением для определенного класса математических задач. Пользоваться ими будут через облачный сервис. Однако очень тяжёлого предугадать на старте экспоненты, куда двинется мир.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Кульбиты на кубитах. Когда появятся квантовые ноутбуки

комментарии (0)

Другие интересные новости

Путин наградил орденом Турецкого и Кабо