Конец эпохи классических компьютеров: готовы ли мы к квантовому будущему?

Классические суперкомпьютеры скоро могут оказаться в музее техники рядом с арифмометрами и перфокартами. Китайские ученые создали квантовый процессор, который в 10?? раз быстрее самого мощного суперкомпьютера в мире. Это не просто очередной шаг — это гигантский скачок в будущее вычислений, который может изменить всё, от медицины до шифрования данных.

Разработанный в Университете науки и технологий Китая (USTC) квантовый процессор Zuchongzhi-3 с 105 кубитами и 182 соединителями перевернул наше представление о вычислительных возможностях. Его производительность в миллион раз превышает результаты, опубликованные Google всего год назад. Но что это значит для обычного человека и действительно ли классические компьютеры скоро станут реликтами прошлого?

Квантовое превосходство: когда невозможное становится возможным

Чтобы понять масштаб достижения, нужно разобраться в концепции квантового превосходства. Простыми словами — это момент, когда квантовый компьютер выполняет задачу, с которой классический компьютер физически не может справиться за разумное время. Представьте, что вам нужно перебрать все возможные комбинации замка с миллиардом вариантов. Обычному компьютеру потребовались бы тысячи лет, а квантовому — всего несколько минут.

История квантового превосходства напоминает захватывающий технологический триллер. В 2019 году Google заявил о достижении квантового превосходства с 53-кубитным процессором Sycamore, выполнив за 200 секунд задачу, которая, по их оценкам, заняла бы у лучшего суперкомпьютера около 10 000 лет. Но USTC подорвал это утверждение в 2023 году, показав, что та же задача может быть решена за 14 секунд с использованием более 1400 графических процессоров A100.

После этого началась настоящая квантовая гонка. В 2020 году команда USTC достигла первого строго доказанного квантового превосходства с фотонным квантовым компьютером "Jiuzhang". В 2021 году та же задача была решена на сверхпроводящей системе Zuchongzhi-2. К 2023 году 255-фотонный Jiuzhang-3 продемонстрировал квантовое превосходство, превзойдя классические суперкомпьютеры в 10?? раз. А в октябре 2024 года 67-кубитный сверхпроводящий квантовый процессор Google Sycamore продемонстрировал превосходство на девять порядков.

И вот теперь — Zuchongzhi-3, который оставил позади все предыдущие достижения, как Формула-1 оставляет позади обычный семейный автомобиль.

Zuchongzhi-3: новый рубеж вычислительной мощи

Давайте копнем глубже. Чем же так особенен Zuchongzhi-3? Основываясь на 66-кубитном Zuchongzhi-2, китайские исследователи значительно улучшили ключевые показатели производительности. Новый процессор обладает 105 кубитами и 182 соединителями. Для непосвященных это может звучать как тарабарщина, но в мире квантовых вычислений это всё равно что перейти от велосипеда к реактивному самолету.

Квантовый процессор демонстрирует время когерентности 72 мкс, параллельную точность однокубитных вентилей 99,90%, параллельную точность двухкубитных вентилей 99,62% и параллельную точность считывания 99,13%. Если перевести на человеческий язык — это невероятно высокая точность для квантовых вычислений, где даже мельчайшие погрешности могут привести к совершенно неверным результатам.

Для оценки возможностей системы команда провела задачу выборки случайных цепей с 83 кубитами и 32 слоями. По сравнению с оптимальным классическим алгоритмом, вычислительная скорость превосходит показатели самого мощного суперкомпьютера в мире на 15 порядков. Кроме того, она превосходит последние результаты, опубликованные Google в октябре прошлого года, на 6 порядков, устанавливая самое сильное квантовое вычислительное преимущество в сверхпроводящей системе на сегодняшний день.

Если вам трудно представить, что значит "на 15 порядков", попробуйте так: это как сравнивать скорость улитки со скоростью света. Или один день с миллионами лет. Это совершенно другая лига вычислительной мощности.

Почему это имеет значение для каждого из нас

Но давайте спустимся с небес на землю. Какое нам дело до всех этих кубитов и когерентности? Оказывается, квантовые компьютеры могут решить проблемы, которые имеют прямое отношение к нашей повседневной жизни.

Возьмем, к примеру, разработку лекарств. Обычный компьютер может моделировать только самые простые молекулы. Квантовый компьютер сможет моделировать взаимодействие сложных молекул с высочайшей точностью, что может ускорить разработку новых лекарств от рака, диабета и других заболеваний с месяцев и лет до недель или даже дней.

Или представьте оптимизацию движения в крупных городах. Классические компьютеры используют приближенные методы, которые далеки от идеальных. Квантовые компьютеры смогут анализировать миллионы переменных одновременно и находить оптимальные решения для транспортных потоков, что сократит пробки и снизит выбросы.

А как насчет материаловедения? Квантовые компьютеры могут помочь разработать сверхпроводящие материалы, которые работают при комнатной температуре, что приведет к революции в передаче электроэнергии — без потерь от сопротивления. Это может означать более дешевую и экологически чистую энергию для всех.

Не стоит забывать и о машинном обучении. Квантовые алгоритмы могут значительно ускорить обучение искусственного интеллекта, делая его более эффективным и способным решать более сложные задачи. А это, в свою очередь, может привести к появлению более умных виртуальных помощников, беспилотных автомобилей и систем диагностики заболеваний.

Короче говоря, квантовые вычисления — это не просто академический интерес. Это технология, которая может преобразить наш мир так же, как это сделали интернет и смартфоны.

Подводные камни на пути к квантовому будущему

Однако, прежде чем мы начнем мечтать о квантовых смартфонах, стоит признать, что есть серьезные препятствия. Квантовые компьютеры — капризные создания. Они требуют температур, близких к абсолютному нулю (-273,15°C), что делает их громоздкими и дорогими в эксплуатации.

Кроме того, существует проблема квантовой декогеренции — кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям и могут терять свои квантовые свойства за мгновения. Представьте, что вы пытаетесь удерживать мыльный пузырь в течение нескольких минут — примерно такая же задача стоит перед учеными.

Есть и проблема масштабирования. Хотя 105 кубитов звучит впечатляюще, для решения по-настоящему сложных задач потребуются тысячи или даже миллионы кубитов. Масштабирование квантовых систем — не линейный процесс, каждый добавленный кубит экспоненциально увеличивает сложность системы.

И, наконец, коррекция ошибок. В классических компьютерах коррекция ошибок относительно проста. В квантовых системах это гораздо сложнее из-за принципа неопределенности Гейзенберга и невозможности клонировать произвольное квантовое состояние. Команда USTC активно работает над этой проблемой, исследуя квантовую коррекцию ошибок с поверхностным кодом расстояния-7 и планируя увеличить это расстояние до 9 и 11.

Все эти проблемы означают, что, несмотря на впечатляющий прогресс, до широкого практического применения квантовых компьютеров, вероятно, пройдет еще немало лет.

Гонка технологий: кто впереди?

Квантовые вычисления стали ареной технологического соперничества между ведущими странами и корпорациями. США, Китай, ЕС и другие инвестируют миллиарды долларов в квантовые исследования, понимая, что лидерство в этой области может дать решающее преимущество в экономике и безопасности 21 века.

Китай, судя по достижениям команды USTC, сделал огромный шаг вперед. Zuchongzhi-3 и другие китайские квантовые системы сегодня находятся на переднем крае технологий. Но Google, IBM, Microsoft и другие американские гиганты также активно продвигают свои квантовые программы.

Google разрабатывает новые квантовые процессоры с улучшенными параметрами. IBM уже предоставляет доступ к своим квантовым компьютерам через облако и планирует создать систему с 1000+ кубитами в ближайшие годы. Microsoft делает ставку на топологические кубиты, которые теоретически более устойчивы к ошибкам.

Эта квантовая гонка имеет и геополитическое измерение. Государства понимают, что квантовые компьютеры могут взломать большинство существующих систем шифрования, что делает их мощным инструментом в области национальной безопасности. В то же время они позволяют создавать новые, квантово-устойчивые методы шифрования.

Но, возможно, самый важный аспект этой гонки — открытость исследований. Несмотря на конкуренцию, ученые из разных стран публикуют свои результаты в открытых научных журналах, что позволяет всему миру двигаться вперед вместе. Работа команды USTC была опубликована в Physical Review Letters, что дает возможность другим исследователям учиться на их опыте.

Готовы ли мы к квантовому будущему?

Так что же, готовы ли мы к квантовому будущему? И да, и нет. С технической точки зрения мы видим невероятный прогресс, но до практического применения в повседневной жизни еще предстоит пройти долгий путь.

Однако уже сейчас стоит готовиться к миру, где квантовые вычисления изменят правила игры. Специалисты в области ИТ-безопасности уже работают над постквантовой криптографией, устойчивой к атакам квантовых компьютеров. Ученые в различных областях начинают думать о том, как они могут использовать преимущества квантовых вычислений в своих исследованиях.

Образовательные учреждения также должны адаптироваться, включая основы квантовых вычислений в программы обучения. Будущим специалистам потребуется понимание квантовой механики и квантовых алгоритмов, даже если они не собираются непосредственно работать с квантовыми компьютерами.

Все мы являемся свидетелями рождения новой эры в истории вычислений. Как и ранние компьютеры, которые занимали целые комнаты и были доступны лишь немногим исследовательским центрам, сегодняшние квантовые компьютеры — это только начало. Кто знает, возможно, через 30-40 лет квантовые технологии станут такой же обыденной частью нашей жизни, как смартфоны сегодня.

А пока команда USTC и другие исследователи по всему миру продолжают раздвигать границы возможного, приближая нас к этому удивительному будущему с каждым новым кубитом.

Ставьте лайк, если вам понравилась наша статья. Подпишитесь на наше Сообщество, чтобы не пропустить новые и интересные публикации.

Источник: vk.com

Комментарии: