Квантовый компьютер: панацея вычислительных технологий?

Квантовые вычисления могут полностью изменить IT-отрасль и жизнь обычных людей. Технологические компании вступили в настоящую «квантовую гонку», чтобы разработать компьютеры, которые решат сложнейшие задачи и создадут новые проблемы.

О квантовых компьютерах все чаще говорят не только ученые, но и журналисты, красочно описывающие грядущую революцию в вычислительных технологиях, которая полностью изменит наш мир. Процессоры, обрабатывающие за считаные секунды такое количество данных, с которым самые мощные кварцевые чипы не справятся и за миллиард лет, позволят абсолютно точно моделировать физические процессы, решать сложнейшие прикладные задачи и сделают бесполезными все современные системы безопасности.

Каждый год технологические гиганты анонсируют квантовые компьютеры со все большей мощностью. Очевидно, что идея, сформулированная в начале 1980-х, сегодня все ближе к практическому воплощению. Но когда новый подход к обработке информации действительно начнет влиять на жизнь обычных людей? Появятся ли гаджеты с квантовыми чипами или подобные технологии останутся в руках корпораций и государства? И как быстро квантовые вычисления вытеснят современные процессоры?

Следующий шаг

Основатель компании Intel Гордон Мур обнаружил закономерность, согласно которой количество вычислительных элементов в передовых процессорах увеличивается каждые два года. Это наблюдение получило название — закон Мура. Благодаря стремительному развитию электроники инженерам удается сделать транзисторы все более компактными, а значит, на одном чипе можно разместить больше элементов, которые способны обсчитывать больше информации за единицу времени.

Основные вычислительные элементы современных компьютеров имеют размер всего в несколько нанометров. Однако миниатюризация кварцевой электроники ограничена размерами атомов.

Альтернативным способом для создания вычислительных машин является оптическая электроника, в которой для передачи информации используется не электрон, а фотон. Но и этот способ ограничен — физическими свойствами света.

Следующий шаг, который открывает (возможно) бесконечный простор для увеличения производительности компьютеров, — использование принципов квантовой механики.

Суперпозиция и запутанность

В обычных компьютерах с кремниевыми чипами информация кодируется в двоичном виде в битах. То есть у вычислительного элемента есть два состояния — 1 и 0, «правда» или «ложь».

В квантовом компьютере аналогом бита служит квантовый бит, или кубит. Чем больше число кубитов, тем мощнее квантовый компьютер.

Квантовый процессор, состоящий из кубитов, может находиться сразу во всех возможных состояниях, но в каждом — с некой вероятностью. Это явление, называемое квантовой суперпозицией, позволяет параллельно обрабатывать огромное количество данных и решать задачи, которые просто не имеет смысла решать на классических компьютерах.

При этом процесс вычисления — это переход всей системы с заданными данными в какое-то новое состояние, которое и является решением.

Из-за квантовой природы вычислительные элементы довольно нестабильны, и одна из основных задач инженеров — создать кубиты, которые проживут как можно дольше. Любое воздействие на квантовую систему во время работы, даже ради наблюдения, должно быть полностью исключено, так как оно повлияет на результат.

Принцип работы квантового компьютера можно сравнить с известным мысленным экспериментом, называемым «Кот Шредингера». Заранее нельзя сказать, мертвый или живой кот находится в коробке, то есть изначально для испытателя кот одновременно и живой и мертвый — с равной вероятностью.

Еще одно явление, лежащее в основе квантовых вычислений, — это квантовая запутанность. Несколько объектов могут «синхронизировать» свои квантовые состояния: когда состояние одного объекта изменяется, связанные элементы мгновенно реагируют на это изменением своего состояния. Этот эффект не зависит от расстояния между объектами, а значит, у квантовых компьютеров не будет ограничений в скорости обработки информации. Кроме того, возможно создать идеально зашифрованный канал связи без каких-либо задержек.

От теории к практике

В 1980 году советский математик Юрий Манин впервые высказал идею квантовых вычислений.

Независимо от Манина в 1981 году знаменитый американский физик Ричард Фейнман, выступая с лекцией в MIT, заявил, что классические компьютеры непригодны для полноценного моделирования квантовых систем, и предложил первую теоретическую модель квантового компьютера.

В 1985 году британский физик Дэвид Дойч предложил квантовую версию машины Тьюринга — простую абстрактную модель квантового компьютера, к которой можно свести любые квантовые вычисления.

В 1991 году польский физик Артур Экерт предложил концепцию безопасной связи, в основу которой легло явление квантовой запутанности — взаимосвязи состояний нескольких частиц.

В 1994 году американский математик Питер Шор разработал квантовый алгоритм, который позволяет мгновенно раскладывать числа на простые множители. На первый взгляд может показаться, что в уравнении 21 = 7 ? 3 или 42 = 2 ? 3 ? 7 нет ничего особенно интересного, однако на подобных разложениях основан самый распространенный способ шифрования RSA, только на практике используются числа побольше. Даже самый обычный современный ноутбук может достаточно быстро перемножить числа длиной в несколько десятков знаков. Но вот для того, чтобы на этом же компьютере разложить на простые множители большое число, может не хватить даже жизни Вселенной.

Таким образом, алгоритм Шора может сделать бесполезными все способы передачи информации, которые сегодня считаются безопасными, — от шифрования веб-страниц с помощью HTTPS до банковских переводов и криптовалютных транзакций. Но пока что мощность рабочих прототипов квантовых компьютеров слишком мала, и всерьез волноваться еще рано.

В середине 1990-х квантовыми вычислениями заинтересовались на государственном уровне. В феврале 1995 года Министерство обороны США организовало большой семинар, посвященный квантовым вычислениям и криптографии, на котором выступили ведущие физики.

В 1996-м сотрудник Bell Labs Лов Гровер изобрел алгоритм, позволяющий эффективно решать задачи, в которых необходим полный перебор вариантов.

В этом же году Дэвид П. ДиВинсензо из IBM перечислил минимальные требования, которые необходимы для создания квантового компьютера.

Во второй половине 1990-х было предложено несколько концепций квантового компьютера, а в 1998-м появился первый рабочий прототип мощностью 2 кубита, основанный на явлении ядерного магнитного резонанса.

В 2000-х были созданы первые 5- и 7-кубитные компьютеры и продемонстрировано выполнение алгоритма Шора.

2010-е годы стали началом «квантовой гонки», в которую включились крупнейшие технологические компании — IBM, Intel, Google, Microsoft.

Современные разработки

Компания IBM серьезно намерена стать лидером в этой гонке и уже к 2021 году сделать прибыльными свои облачные сервисы для квантовых вычислений.

В начале 2018 года IBM представила квантовый компьютер на 50 кубитов. Год спустя появилась первая коммерческая модель Q System One.

В первую очередь компания намерена работать с коммерческими партнерами в сфере финансов, автомобильной и химической промышленности.

Вероятно, основным конкурентом IBM в квантовой области является Google. В марте 2018 года компания рассказала, что ее инженерам удалось создать 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone, с очень низкой вероятностью ошибок. Подробные характеристики разработки остаются в секрете, но в Google утверждает, что Bristlecone чрезвычайно близок к достижению «квантового превосходства».

Еще один известный производитель квантовых вычислительных машин — это канадская компания D-Wave Systems. Однако, хотя последние модели компьютеров D-Wave содержат до 2000 кубитов, они не являются универсальными и пригодны лишь для некоторых специальных задач. Но при этом отдельные алгоритмы можно ускорить в 100 млн раз.

Некоторые специалисты сомневались в том, что компьютеры компании действительно являются квантовыми, но в 2015 году в Google подтвердили, что D-Wave работают именно на квантовых эффектах.

В 2017 году специалистам из Российского квантового центра удалось построить компьютер на 51 кубит, для которого использовали охлажденные атомы рубидия. Центр является негосударственной исследовательской организацией, основную финансовую поддержку которой оказывает фонд Сколково.

Свою разработку в начале 2018 года представила и компания Intel. Квантовый чип Tangle Lake на 49 кубитов должен помочь в моделировании лекарственных препаратов, а также в финансовых и метеорологических прогнозах.

В конце 2017 года профессор Йельского университета Роберт Шелькопф вместе с коллегами решил основать собственную компанию Quantum Circuits, для того чтобы разработать полноценный квантовый компьютер. Разработки Шелькопфа используются в IBM, Intel и Google, но в отличие от конкурентов Quantum Circuits планирует создать сеть из множества мини-компьютеров, вместо того чтобы строить один большой чип. В компании рассчитывают, что такой подход поможет сделать систему масштабируемой.

Как квантовые компьютеры изменят жизнь

Квантовые компьютеры открывают совершенно новый подход к работе с информацией, не ограниченный скоростью света или размером атома.

Современный уровень технологического прогресса позволяет собирать огромное количество информации об окружающем мире. Но современные вычислительные мощности способны обрабатывать лишь небольшую часть данных, получаемых, скажем, Большим адронным коллайдером, астрономическими обсерваториями или генетическими лабораториями.

В области фундаментальных и прикладных наук квантовые вычисления, безусловно, помогут уравнять баланс между количеством получаемых сырых данных и скоростью их обработки.

Однако кроме потрясающих перспектив квантовые технологии несут в себе целый ряд проблем, причина которых именно в использовании принципиально других законов природы, переход на уровень квантовой механики.

По сути, квантовые компьютеры делают бесполезными почти все современные подходы к программированию, обработке и защите информации. Так что человечеству предстоит не просто освоить очередную технологию, но и создать совершенно новые алгоритмы, протоколы передачи данных и инфраструктуру.

Для крупных игроков IT-рынка квантовые компьютеры — это одновременно большие перспективы и огромные риски. Современные корпорации вроде Google или Facebook, получающие основной доход от рекламы и продажи пользовательских данных, будут вынуждены полностью перестроить свою бизнес-модель, так как их технологии просто перестанут работать.

Огромный интерес квантовые вычисления вызывают и на государственном уровне. Новая компьютерная революция существенно сократит сферы влияния политиков, ведь для многих управленческих задач можно будет легко просчитать оптимальное решение. Но именно на политическом уровне будут решаться вопросы регулирования квантовых технологий. Проблемы соглашений и правил по поводу использования квантовых компьютеров могут возникнуть уже в ближайшем будущем, как только появится вычислительная машина, достаточно мощная для того, чтобы поставить под угрозу конфиденциальность частных, корпоративных и государственных данных или нарушить работу финансовых систем.

Существующие сегодня системы квантовых вычислений — это огромные, сложно устроенные машины, не только разработка, но и обслуживание которых стоит чрезвычайно дорого. Они по карману только корпорациям или университетам. Но ведь так было и с обычными компьютерами, которые раньше занимали целые комнаты, а сегодня есть у каждого дома или даже в кармане.

Полноценные квантовые вычислители, скорее всего, появятся уже в ближайшие десятилетия, однако из-за чрезвычайной дороговизны для частного использования будут доступны услуги аренды мощностей и облачные сервисы, как сейчас уже предлагает IBM.

Появятся ли когда-нибудь миниатюрные квантовые смартфоны, которые превзойдут по мощности все современные компьютеры и по которым можно будет мгновенно передавать любую информацию в любую точку Вселенной? Мы этого не знаем. Но использование в практических прикладных целях законов, работающих на квантовом уровне, которые совершенно не похожи на то, к чему мы привыкли в макромире с классической ньютоновской механикой, кажется уже вполне реальным.

Источник: hitecher.com

Комментарии: