Химики первыми оценят преимущества квантовых компьютеров

Квантовый компьютер от D-Wave

Над созданием квантовых вычислительных систем сейчас работают такие крупные компании, как Microsoft, Google и IBM. Специалистам последней удалось разработать 5-кубитный квантовый компьютер. Теперь IBM предоставляет доступ к нему в виде сервиса, который получил название IBM Quantum Experience. Правда, поработать с этим компьютером могут не все разработчики, но программы к нему уже публикуются и выкладываются в открытом доступе. Считается, что квантовые вычислительные системы сделают большинство традиционных алгоритмов шифрования (RSA, DSA, ECDSA) бесполезными, поскольку квантовые компьютеры, использующие алгоритм Шора, смогут за доли секунды подбирать даже самый сложный шифр.

Разработчики квантовых компьютеров обещают настоящий прорыв, обусловленный ростом производительности компьютеров, во многих научных сферах. Ядерная физика, математика, медицина, криптография и химия — вот лишь небольшой список отраслей, где могут пригодиться такие системы. Что касается химии, то, вероятно, именно в этой сфере начнут работать первые квантовые компьютеры.

Они помогут ученым разработать новые химические соединения, понять, какими особенностями должен обладать высокотемпературный сверхпроводник, создать новые эффективные лекарственные препараты. Даже небольшая квантовая система может способствовать изучению химиками различных химический соединений и реакций между ними. Современные химики и сейчас используют мощные компьютеры для моделирование различных сложных химических реакций. А квантовые вычислительные системы предоставят в руки ученых гораздо более эффективные инструменты для работы в этой сфере.

Скотт Кроудер, представитель корпорации IBM, уверен в том, что химики смогут одними из первых, если не первыми, оценить преимущества квантовых компьютеров по сравнению с обычными системами. И здесь пригодятся также небольшие квантовые компьютеры: «Мы считаем, что в химии будут использоваться небольшие системы», — говорит Кроудер.

Как уже говорилось выше, ученые давно используют эмулирование химических реакций и отдельных соединений для разработки новых материалов, лекарственных препаратов, создания невиданных ранее химических соединений. Компьютерная модель, используемая учеными, позволяет снизить стоимость эксперимента и сократить время, необходимое на исследования. Например, в такой сфере, как создание антибиотиков, специалистам требуются годы для того, чтобы разработать и вывести на рынок эффективные препараты.

К сожалению, возможности современных, даже очень производительных систем, ограничены. Дело в том, что традиционные компьютеры не могут моделировать некоторые условия квантовой механики, когда, например, электрон присутствует одновременно в двух местах. Обычные компьютеры рассчитаны на бинарные технологии, где открытие или закрытие полупроводникового затвора обозначает единицу или ноль. Что касается квантовых систем, то они используют такие понятия квантовой механики, как суперпозиция и запутанность.

Алан Аспуру Гужик (Al?n Aspuru-Guzik), профессор химии из Гарварда, считает, что только при помощи таких систем можно получить реальный прорыв в такой сфере, как создание люминесцентных молекул для дисплеев или аккумуляторных батарей нового типа. Сейчас ученый и члены его команды занимаются поисками необходимых молекул и веществ, но им приходится работать «вручную», методом проб и ошибок подбирая нужные соединения и материалы. Квантовый компьютер мог бы значительно повысить эффективность такой работы.

Появление подобных систем в нашей жизни — дело ближайшего времени. Как уже говорилось выше, корпорация IBM разработала 5-кубитный квантовый компьютер. Google купила такую систему у D-Wave, продолжив разработку своими силами. Несколько лет специалисты корпорации изучали метод квантового отжига и возможность его применения.

Достигла некоторых успехов в этой сфере и корпорация Microsoft, которая является сторонником относительно простых квантовых компьютеров. Более того, специалисты компании разрабатывают гибридную систему, с традиционными методами вычислений и квантовой «начинкой», позволяющей симулировать прохождение химических реакций. В Microsoft заявляют, что специалисты компании хотели бы заняться поиском высокотемпературных сверхпроводников.

Если ученым действительно удастся создать квантовый компьютер, который работает, он, несомненно, будет нарасхват. Ведь только система такого типа может в буквальном смысле слова изменить мир. Так, квантовые компьютеры могут очень эффективно решать так называемую «задачу коммивояжера», которая заключается в поиске наиболее выгодного маршрута, который проходит через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Новый класс вычислительных систем позволит оптимизировать бизнес-процессы, выявлять факторы, которые влияют на климат в том либо ином регионе или выполнять множество других задач, включая такую сферу, как машинное обучение.

По словам Криса Монро, профессора Мэрилендского университета и сооснователя «квантового стартапа» IOnQ, сейчас квантовые вычисления находятся примерно на том же этапе развития, что и первые транзисторы в свое время. И эта сфера постепенно развивается. Например, компания D-Wave Systems в январе этого года начала продавать свой 2000-кубитный компьютер D-Wave 2000Q. Первая модель была продана за 15 миллионов долларов США. Возможно уже в ближайшее время ученые всего мира смогут в полной мере оценить преимущества квантовых систем.

Пока же IBM, Microsoft, Google и другие компании продолжают инвестировать средства в квантовые компьютеры, надеясь в конечном итоге получить результат.