Квантовый компьютер: что, зачем, когда

Простым языком о том, что такое квантовый компьютер, на какой стадии находится его разработка, где его можно будет применить и причем тут маркетинг.

Помните кота Шредингера, который жив и мертв одновременно? На его примере ученый объяснил один из принципов работы квантового мира: способность квантовой частицы одновременно находиться во всех состояниях до тех пор, пока экспериментатор не произведёт наблюдение – фиксацию состояния.

На этом принципе основана работа квантового компьютера: вместо битов, которые находятся в положении либо 1, либо 0, он использует кубиты (quantum bit), которые содержат в себе оба положения одновременно. Кубит вмещает в себя все возможные комбинации – то есть может хранить намного больше информации, чем классический бит.

Обычный компьютер обрабатывает значения по отдельности, а квантовый в теории может обрабатывать сразу несколько. Иначе говоря, для решения одной и той же задачи обычному компьютеру потребуется значительно больше времени, чем квантовой системе.

Задачи, в которых у квантовых компьютеров может быть значительное преимущество перед классическими системами:

Квантовый компьютер целесообразно применять в любой сфере, где есть ресурсоёмкие и сложные задачи.

Управление дорожным трафиком

Еще в 2016 году Volkswagen Group представила систему управления дорожным трафиком на основе квантовых вычислений и продемонстрировала оптимизацию маршрутов без пробок для такси в столице Китая Пекине, а в 2019 во время технологической конференции Web-Summit в Лиссабоне оборудовала автобусы собственной системой управления движением и оптимизировала перевозку пассажиров в городе.

Алгоритм генерировал путь без пробок и «узких мест» на дорогах. Он анализирует данные о движении автомобилистов при помощи обычных компьютеров и обращается к квантовым системам для оптимизации трафика, используя предиктивную аналитику. Кстати, все данные анонимны, так что о нарушении личного пространства можно не переживать.

Медицина и фармацевтика

Для безопасного использования новых лекарств и вакцин проводят множество клинических испытаний. Без исследований неизвестно, как человеческий организм отреагирует на новый препарат, не говоря уже о том, как сильно могут различаться организмы разных людей. Квантовый компьютер ускорит изучение каждого возможного сценария взаимодействия лекарства и организма. Возможно, COVID-19 и другие вирусы будут уже не так страшны.

Благодаря моделям реакций на лечение, которые могут производиться квантовыми системами, врач сможет составлять индивидуальный план лечения для пациентов с учетом определяющих характеристик: возраст, пол, сопутствующие заболевания, генетика и др. Например, квантовые компьютеры смогут рассчитать дозировку в лучевой терапии для онкобольных, минимизировав побочный эффект.

Фармацевтические компании заинтересованы в квантовых технологиях не меньше: в 2021 году крупная европейская компания Boehringer Ingelheim, которая занимается разработкой лекарств, стала первым фармацевтическим партнером Google. Совместно они работают над изучением квантового моделирования в области химии и над практическим применением полученных результатов в фармацевтике.

Криптография

Применение квантового компьютера преобразит криптографию в корне. Обычному компьютеру потребуется миллиард лет, чтобы разложить число из 30–40 знаков на простые множители. Квантовый компьютер сделает это за 18 секунд.

Вы предположите, что изобретение такого компьютера ставит под угрозу надежность наших паролей – некоторые утверждают, что все они непременно будут взломаны. Да, вероятно, подбор классического пароля станет проще. Но шифрование путем квантового компьютера станет куда более сложным, а у банков появится возможность внедрить эту технологию не только для анализа (например, для оптимизации затрат бизнеса, чтобы снизить свои расходы и не увольнять сотрудников в кризис), но и для защиты ваших денег от мошенников.

Медиаиндустрия

Производство графики для первого «Аватара» длилось около 2 лет. А перед этим Джеймс Кэмерон ждал 20 лет, пока появятся технологии, которые реализуют его задумки.

С тех пор технологии стали еще совершеннее: графику для «Лиги Справедливости Зака Снайдера» создали за год, а спецэффекты для «Дома Драконов» сделали за полгода. С помощью квантового компьютера производство компьютерной графики будет занимать считанные дни. Это значительно ускорит и удешевит создание сериалов и фильмов.

Хронология квантовых вычислений начинается еще с 60-х годов XX века, а эпоха первых экспериментальных образцов началась в 2000-х годах. Но у научного сообщества нет единого мнения по поводу нынешних разработок. Кто-то считает, что квантовые технологии пока лишь теория, и если они не реализованы в полной мере, значит они ещё не реализованы совсем. А кто-то активно занимается разработкой и представлением своих творений.

Нынешние квантовые системы не являются полноценными и часто не работают самостоятельно. Из-за принципиальных отличий в обработке информации для них нужны специальные квантовые приложения. Их разработка уже ведется, но на данном этапе квантовые системы приходиться подключать к обычным компьютерам для управления.

Квантовые компьютеры нашего времени также нельзя назвать полноценно универсальными, потому что они, как правило, используются для решения узкого круга задач. Квантовый компьютер, который представила компания D-Wave в 2017 году, применялся в проекте Volkswagen по оптимизации автомобильного трафика. Но чем устройства D-Wave отличаются от тех, что разрабатывают конкуренты?

Реализация квантовых вычислений в настоящее время ограничена:

Любые «наблюдения», «измерения» и другие контакты с внешней средой приводят к тому, что квантовая система становится классической – это явление называется декогеренцией. (Доброго здоровья всем котам.)

Поэтому одна из важных задач на пути к построению полноценного универсального квантового компьютера – реализация самостоятельной работы квантовых кодов коррекции ошибок. Их использование позволяет бороться с декогерентностью, восстанавливая квантовые состояния, уменьшая одновременно погрешность измерений.

Компания Google в октябре 2019 г. объявила о достижении уровня квантового превосходства на своем квантовом компьютере Sycamore. IBM поспорили с коллегами, заявив, что эта проблема может быть решена на классическом суперкомпьютере за 2 дня, а не за 10,000 лет, как это утверждают Google. Это больше, чем 200 секунд на Sycamore, но недостаточно для того, чтобы объявлять о достижении квантового превосходства в значении «решать задачи выходящие за рамки того, что может быть достигнуто с обычными цифровыми компьютерами».

IBM представил ещё в 2019 на выставке CES свой Q System One. В подобных системах содержится 20-100 кубитов и они превосходят суперкомпьютеры по вычислительной мощности. IBM открыли возможность для своих клиентов получить доступ к вычислениям на Q System One через облако. Этим для своих исследований уже воспользовались CERN, ExxonMobil, Fermilab и другие организации. В конце 2021 года компания представила свой новый квантовый процессор, получивший название Eagle («Орел»). У нового чипа 127 кубитов, что в два раза больше, чем у предыдущих процессоров IBM.

В 2020 D-Wave выпустила «новую версию» своего компьютера: У него в 2,5 раза больше соединений и более чем в два раза больше кубитов, чем у системы D-Wave 2000Q. Производительность выросла, а значит на одной платформе можно использовать до 1 млн переменных, в то время как у прежней версии это число ограничивалось 120 тысячами. Для произведения квантовых вычислений на новом компьютере от D-Wave достаточно приобрести подписку на облачный сервис D-Wave Leap.

20 января 2022 года ученые из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии заявили о достижении 99% точности квантовых вычислений. Результаты исследований позволяют продвинуться в разработке квантовых устройств на основе кремния, совместимых с современными технологиями производства полупроводников. Иными словами, ученые из UNSW значительно приблизили создание полноценной квантовой системы. Ученые назвали своей следующей целью создание «универсального квантового компьютера».

Не смотря на то, что полноценный квантовый компьютер ещё не разработан, пользователи ищут, изучают, а кто-то даже пытается купить подобную систему.

Квантовый компьютер – технология будущего. У себя дома вы такой компьютер вряд ли поставите, да и вряд ли он вам понадобится. Его ценность в другом: когда большие компании, услугами которых вы пользуетесь, внедрят эту технологию, ваша жизнь станет проще и дешевле. Сериалы станут выходить быстрее, медицина эффективнее, а пробок на дорогах станет меньше.