Квантовые технологии везде — кажется, что они способны на что угодно и разовьют вычисления так, что мир больше никогда не будет прежним. Оптимисты уверены, что так получится создавать лекарства быстрее, но пессимисты призывают быть аккуратнее — такие компьютеры станут огромной проблемой в руках хакеров. Сергей Кулик, научный руководитель Центра компетенций НТИ по квантовым технологиям на базе МГУ, оценил реалистичность этих прогнозов и рассказал, когда мы вступим в «квантовое будущее».
Возможности квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры не заменят классические вычислительные машины, но помогут людям в решении специфических задач:
- Поиск неструктурированных данных в массивах — это фото, видео, аудио, текстовые файлы без разметки. Поиск и анализ файлов в большом количестве связан с разрозненностью форматов, языков, контекста и других параметров. Но очевидно, что объемы растут каждый год, и это важнейшая информация для ученых, маркетологов и специалистов по безопасности. Предполагается, что квантовые компьютеры будут легко выполнять несколько операций параллельно и искать по таким базам быстрее.
- Оптимизация: поиск наилучшего решения с учетом желаемого результата и ограничений. Это улучшит доставку, поможет в принятии решений на быстро меняющихся рынках и эффективнее управлять транспортными потоками.
- Моделирование квантовых систем, в том числе таких, как молекулы новых материалов или лекарств. Квантовый компьютер будет прекрасно справляться со сложностью и неопределенностью таких систем. Сюда же относится моделирование химических реакций и физических взаимодействий.
- Решение математических задач, невероятно сложных для классических компьютеров. Это важная возможность квантовых вычислительных машин, которая откроет новую страницу в криптографии, — большинство распространенных систем шифрования окажутся уязвимы.
Физические основы: самое необходимое
Что позволит квантовым компьютерам решать задачи лучше, быстрее и эффективнее, чем классические машины? Что обеспечит квантовое превосходство?
Квантовые вычисления, как очевидно из названия, основаны на процессах квантовой физики. Согласно постулату квантовой физики, до момента измерения электрон (или другая мельчайшая частица, например, фотон) не имеет однозначных координат, а одновременно находится во всех точках орбиты. Эту область суммы всех состояний частицы называют электронным облаком. Упрощенно можно сказать, что это электронное облако и является физическим кубитом (q-bit, квантовый бит) — базовой единицей информации в квантовых вычислениях.
Кубиты играют в квантовых вычислениях ту же роль, что и биты в классических вычислениях. Но если классические биты двоичны и могут пребывать только в позиции 0 или 1, то кубиты — в суперпозиции всех возможных состояний. Поэтому квантовый компьютер решает задачу не методом последовательного перебора, а рассматривая сразу множество возможных вариантов. Естественно, скорость вычисления радикально растет.
Еще одно важное свойство — запутанность. Это явление описывает такое свойство квантовых частиц, когда результаты совместного измерения удаленных частиц оказываются коррелированными, в то время как измерения частиц по отдельности — совершенно случайными. Чем больше кубитов удается запутать, создав единую систему, тем мощнее получается вычислительная машина и тем более сложные задачи можно решать.
Актуальное состояние и проблемы
В медиа постоянно появляется информация о все новых достижениях в области квантовых вычислений — например, в конце 2019 года компания Google громко объявила о достижении квантового превосходства. Но реальность такова, что пока квантовые вычислительные машины решают только узкоспециальные задачи.
Например, алгоритм распределения фотоотчетов, который показали в Китае на вычислительной машине Jiuzhang. Эта задача — одна из тех, которые были предложены для демонстрации квантового превосходства. И с такими задачами квантовые вычислители справляются намного эффективнее, чем суперкомпьютеры.
Но пока квантовый компьютер вычисляет свойства вещества, но только самого простого и хорошо известного. А для создания веществ с заданными свойствами или оптимизации логистических потоков мощности не хватает. Пока самый мощный квантовый процессор создан компанией IBM, и насчитывает он 127 кубитов. А для решения задач, о которых говорилось в начале статьи, потребуются тысячи кубитов. Впрочем, нельзя не сказать, что прогресс в области квантовых вычислений в последние десять лет огромный, и пока видимых препятствий на пути прогресса нет.
Но проблемы, безусловно, существуют. Например, это вопрос создания квантовой памяти, которая позволила бы возвращаться к решению той или иной задачи и хранить результаты вычислений. Вопросы масштабирования систем, увеличения времени когеренции, коррекции ошибок — от всего этого зависит наращивание вычислительной мощности. Много вопросов и в софтверной части, так как для работы с результатами вычислений мы должны «перевести» полученные в квантовых вычислениях данные на язык вычислений классических. И здесь пока огромное поле для работы.
Суперкомпьютер не может все, но он решит кучу проблем
Когда реальность вокруг постоянно меняется, хочется задаться наивным вопросом — смог бы достаточно мощный квантовый компьютер «предсказать» все это заранее? Ответ: нет, никакая вычислительная система не обладает даром предвидения.
Но именно в такой стремительно меняющейся ситуации квантовый компьютер бы помог в выборе оптимальной стратегии на рынке, нашел бы лучшие логистические варианты, что особенно ценно в условиях, когда ситуация на транспортном рынке нестабильна. Но пока мощной квантовой машины, которая справится с такими задачами, нет ни в одной стране мира. И в ближайшие годы она вряд ли появится.
Читать далее:
Ученые нашли черную дыру, которая в 50 раз больше галактик
Физики показали, что вода превращается в две жидкости при низких температурах
В России изобрели сплав, который выдержит энергию термоядерного реактора