Квантовый компьютер будоражит умы ученых давно, еще в 2014 году он успел засветиться на обложке Time со словами: «Они могут помочь человечеству в решении самых сложных проблем, их поддерживают Джефф Безос, NASA и ЦРУ, каждый из них стоит по $10 000 000 и работает с охлаждением почти до абсолютного нуля — и никто в действительности не знает, как они работают». Как устроен квантовый компьютер и какие задачи он решает, расскажем в этой статье.
Что такое квантовый компьютер
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует принципы квантовой механики для обработки информации. Внешне эти компьютеры могут показаться обычными, при условии, что они собраны и скомпонованы, а могут выглядеть крайне странно.
Но даже если дизайн кажется знакомым, не обольщайтесь — внутри вас ждет совершенно непонятная система. Дело в том, что в отличие от классических компьютеров, которые работают с битами (принимающими значения 0 или 1), квантовые компьютеры используют кубиты (квантовые биты), что позволяет им обрабатывать большое количество информации параллельно. Подробнее о кубитах мы поговорим ниже, а пока прикоснемся к истории возникновения квантового компьютера.
История изобретения квантового компьютера
Идея квантового компьютера впервые была высказана советским ученым Юрием Маниным, чуть позже независимо и более четко сформулирована Стивеном Визнером и Ричардом Фейнманом.
Ученые долгое время пытались исследовать сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Однако быстро поняли, что квантовую природу нашего мира невозможно реалистично смоделировать на обычных компьютерах. Пространство квантовых состояний таких систем растет по экспоненте от числа n-составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n=10.
Тогда Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера. Они хотели содать такую квантовую систему, состояние которой могло бы принимать любое из возможных значений. Сегодня это состояние принято называть суперпозицией, и именно она помогает квантовым компьютерам работать так быстро.
Как работает квантовый компьютер
Рассмотрим принцип работы квантового компьютера повнимательнее. Не волнуйтесь, если чего-то не поймете. Квантовая механика вообще относится к одному из самых сложных разделов физики.
Кубит
Что такое кубит? Возьмите один атом, максимально зафиксируйте его и постарайтесь оградить от любых внешних воздействий. А затем соедините с другим таким же атомом специальной квантовой связью. Схема очень упрощенная, но именно так и получают кубиты.
Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов. На квантовый компьютер влияют космические лучи, колебания температуры и прочие физические явления. Такой шум выводит систему из суперпозиции — и квантовый компьютер, фактически, перестает работать. Поэтому кубиты контролируют с помощью магнитных и электрических полей, а также с помощью лазеров и микроволновых импульсов. Однако удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. Но даже так результаты их работы нужно перепроверять, ведь они дают верный ответ лишь с определенный вероятностью.
Суперпозиция
Суперпозиция — это одно из фундаментальных понятий квантовой механики, которое описывает способность квантовой системы находиться одновременно в нескольких состояниях до момента измерения. Это явление лежит в основе работы квантовых компьютеров и отличает их от классических.
В классической физике объекты имеют определенные состояния. Например, бит в классическом компьютере может находиться либо в состоянии 0, либо в состоянии 1. В квантовой механике частица (например, электрон или фотон) может находиться в суперпозиции нескольких состояний одновременно.
Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромное количество информации одновременно. Это дает потенциал для решения задач, которые классическим компьютерам недоступны.
Еще можно вспомнить популярного кота Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку. Выходит, что кот находится в суперпозиции, как и кубиты. Квантовая природа последних наделяет их любопытными свойствами.
Какие задачи решает квантовый компьютер
Итак, квантовые компьютеры ориентированы на сложные расчеты. Но что конкретно они дадут человечеству? О том, насколько сильно квантовые компьютеры изменят наш мир, можно судить по термину «квантовое превосходство» — способность квантовых компьютеров решить задачи, которые обычным компьютерам либо неподвластны, либо требуют тысячи лет на просчет. Сегодня проекты по разработке квантовых алгоритмов реализуются во многих отраслях.
Криптография
Квантовые компьютеры могут взламывать современные шифры, основанные на сложности факторизации больших чисел. Возможно, совсем скоро ученые научатся взламывать существующие шифры и сделают бессмысленными современные системы шифрования.
Квантовая химия и медицина
Квантовые компьютеры могут использоваться для моделирования молекулярных систем и химических реакций, ускоряющих разработку новых материалов и инновационных лекарств. С помощью квантовых компьютеров ученые изучают биомолекулы и их взаимодействия, что дает надежду на скорое создание принципиально новых материалов и лекарств.
Физика
В физике квантовые компьютеры могут применяться для симуляции различных квантовых систем, в частности решать задачи по исследованию свойств и поведения сверхпроводников и квантовых материалов, тестирования и разработки квантовых алгоритмов, которые невозможно воспроизвести на классических компьютерах.
Квантовые алгоритмы
Квантовые алгоритмы — это методы вычислений, основанные на принципах квантовой механики. Проще говоря, это наборы инструкций, которые используют квантовые явления для решения задач. С их помощью квантовые компьютеры могут решать определенные задачи значительно быстрее, чем классические компьютеры. Расскажем про самые популярные алгоритмы.
Алгоритм Шора
Алгоритм Шора, разработанный Питером Шором в 1994 году, является одним из самых известных квантовых алгоритмов. Он решает задачу факторизации больших чисел на простые множители, выполняя ее экспоненциально быстрее, чем классические алгоритмы. Алгоритм использует квантовое преобразование Фурье для нахождения периода функции и позволяет ускорять взлом криптографических систем, основанных на сложности факторизации больших чисел.
Алгоритм Гровера
Алгоритм Гровера, предложенный Ловом Гровером в 1996 году, ускоряет поиск в неупорядоченной базе данных. Алгоритм использует квантовую суперпозицию и интерференцию для поиска нужного элемента за O (√N), где N —количество элементов в базе данных. С его помощью можно значительно облегчить поиск в больших базах данных, решать задачи по оптимизации и ускорению алгоритмов машинного обучения.
Алгоритм Харроу-Хассидима-Ллойда
Алгоритм Харроу-Хассидима-Ллойда, предложенный в 2009 году, решает системы линейных уравнений. С его помощью любые линейные уравнения можно перевести в квантовое состояние, что позволяет найти решение экспоненциально быстрее. Результат представляется в виде квантового состояния, которое можно использовать для дальнейших вычислений.
Алгоритм используется при моделировании различных физических систем, а также помогает при оптимизации в машинном обучении.
Алгоритм Залки — Визнера
Алгоритм Залки — Визнера позволяет эффективно моделировать эволюцию квантовой системы во времени, используя квантовый компьютер. В отличие от классических методов, которые требуют значительных ресурсов, алгоритм Залки — Визнера использует квантовые принципы. Он разбивает сложные задачи на сумму более мелких, реализуя главную идею квантового компьютера — служить моделью любой многочастичной квантовой системы.
Применяется для решения задач квантовой химии. С его помощью ученые планируют создать принципиально новые материалы с уникальными свойствами, например, повышенной прочностью или проводимостью.
Алгоритм Дойча — Йожи
Алгоритм Дойча — Йожи, предложенный Дэвидом Дойчем и Ричардом Йожей в 1992 году, решает задачу определения состояния постоянной или сбалансированной функции. Он основывается на явлении квантовой запутанности и принципе суперпозиции, позволяя произвести более эффективную работу в сравнении с известными классическими алгоритмами.
Алгоритм может быть использован для проверки свойств функций в криптографических системах, а также для разработки квантовых алгоритмов машинного обучения, где требуется анализ функций или данных. Кроме того, этот алгоритм часто применяется в образовательных целях для демонстрации таких квантовых явлений, как суперпозиция, интерференция и квантовый параллелизм.
Алгоритм Саймона
Алгоритм Саймона — это квантовый алгоритм, предложенный Дэниэлом Саймоном в 1994 году. Он решает задачу, связанную с поиском скрытой структуры в функции, и демонстрирует экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими алгоритмами. Алгоритм помогает в изучении структуры криптографических функций и может быть использован для проверки корректности работы квантовых процессоров. Кроме того, именно алгоритм Саймона вдохновил ученых на создание более известного алгоритма Шора.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного
Хотя квантовые компьютеры имеют огромный потенциал, они не являются универсальными и не заменят классические компьютеры для большинства повседневных задач. Их преимущества проявляются только в специфических областях, где требуется обработка огромного количества данных или решение задач с экспоненциальной сложностью.
В классическом компьютере все вычисления сводятся к набору нулей и единиц, двум строго определенным значениям — «Есть сигнал» и «Нет сигнала». Для этого используется двоичная система счисления, где бит — единица информации. В квантовых компьютерах подход другой, для его работы используются кубиты.
Классический пример для понимания разницы между битами и кубитами: когда монета лежит на столе, то это либо орел либо решка, но мы не знаем, что она показывает во время вращения — там может быть любое доступное значение. Чтобы узнать точно, мы должны остановить монетку, то есть сделать наблюдение. Лежащая на столе монета — классический бит, вращающаяся — тот самый кубит.
Кто сейчас производит квантовые компьютеры
Идеи квантовых вычислений поддерживаются в ряде стран на государственном уровне: в США в 2018 году приняли законопроект о Квантовой инициативе, схожая инициатива существует в Европе с 2016 года. В рамках подобных программ ведется работа над созданием квантовых компьютеров, защищенных квантовым шифрованием каналов связи и сложных физических симуляций.
Над квантовыми компьютерами сегодня активно работают большие корпорации и маленькие стартапы. Свои разработки есть у Google и IBM, Intel и Alibaba, появляются стартапы вроде Rigetti. Многие компании размещают мощности имеющихся квантовых компьютеров в облаках, а затем дают к ним доступ университетам и бизнесу: есть это все у тех же IBM и Alibaba, Amazon и D-Wave System. Условия получения доступа у всех разные: в Amazon познакомиться с квантовым компьютером могут корпоративные клиенты, а канадцы из D-Wave дают бесплатный доступ на минуту вообще всем желающим. Перечислим некоторые из этих компаний.
IBM
IBM является одним из пионеров в области квантовых вычислений. В январе 2019 года компания представила квантовый компьютер IBM Q System One, с доступом через облачную платформу. В 2023 году на ежегодной конференции IBM, посвященной квантовым вычислениям, компания представила 133-кубитный квантовый процессор Heron и первый в своем роде модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two, созданный на его основе. Там же IBM анонсировала процессор Condor, который обладает 1121 кубитом и отличается на 50% большей плотностью кубитов по сравнению с предыдущими моделями.
В конце августа 2019 года специалисты компании Google подготовили доклад Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor о достижении квантового превосходства — созданный ими компьютер за 3 минуты 20 секунд делает расчет, на который мощнейший в нашем мире компьютер Summit от IBM потратит около 10 000 лет. Сегодня планы компании такие — создать квантовый компьютер на миллион кубитов к 2029 году и сосредоточится на создании универсальных квантовых компьютеров для широкого спектра задач.
D-Wave Systems
Канадская компания D-Wave специализируется на квантовых компьютерах для квантового отжига. В 2020 году она представила систему Advantage с 5000 кубитов, предназначенную для решения задач оптимизации. D-Wave также предлагает облачные услуги для бизнеса, позволяя компаниям использовать квантовые вычисления без необходимости владения собственным оборудованием
Rigetti Computing
Rigetti Computing — это американская компания, специализирующаяся на разработке квантовых компьютеров и программного обеспечения для квантовых вычислений. Главный фокус компании — интеграция квантовых вычислений с машинным обучением и искусственным интеллектом. Здесь разрабатывают гибридные квантово-классические системы, сочетающие квантовые процессоры с классическими вычислительными ресурсами для решения сложных задач. Последние разработки компании — процессор Rigetti, представленный в 2023 году, обладающий улучшенной архитектурой и повышенной стабильностью кубитов. Rigetti активно сотрудничает с научными институтами, университетами и коммерческими компаниями по всему миру.
Intel
Intel работает над созданием квантовых процессоров на основе кремниевых кубитов. В 2018 году компания представила тестовый процессор Tangle Lake с 49 кубитами. Сегодня Intel также разрабатывает системы охлаждения и управления для квантовых компьютеров, такие, как контроллер Horse Ridge. Его фишка в том, что он работает при криогенных температурах около 4.2 К и позволяет обойтись без многочисленных фидеров.
Как развиваются квантовые технологии в России
В России работа над квантовыми технологиями ведется квантовым консорциумом (сюда входит Фонд перспективных технологий, МГУ им. М. В. Ломоносова, «ВЭБ Инновации» и ряд других организаций). Еще ряд компаний разрабатывают квантовые компьютеры в рамках национальной программы «Квантовые вычисления».
Темпы впечатляющие. Первый квантовый компьютер на 16 кубитах, был создан в июле 2023 года. В феврале 2024 года Росатом и Российский квантовый центр представили 20-кубитный квантовый компьютер на ионах, а в июле — 50-кубитный. Для справки — всего шесть стран мира, включая Россию, обладают сегодня квантовыми компьютерами с 50 и более кубитами.
В августе 2024 года госкорпорация «Росатом» объявила о планах по созданию промышленных квантовых компьютеров к 2030 году. Приоритетом следующего этапа является подготовка практического применения квантовых вычислений в реальных задачах промышленности и социальной сферы.
Мнение эксперта
Специально для Hi-Tech Mail о развитии квантовых технологий в России рассказал старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.
Насколько мы близки к тому, чтобы квантовые компьютеры стали реальной заменой классическим вычислительным системам?
Квантовые компьютеры никогда не станут заменой таким классическим вычислительным системам, как персональный компьютер — это лишь распространенный стереотип. Квантовый процессор всегда управляется классическим оборудованием и будет играть роль специализированного ускорителя для некоторых особых типов вычислений (на мой взгляд, главным образом, затрагивающих квантовомеханические задачи).
Квантовые вычислительные алгоритмы для классических данных, обеспечивающие экспоненциальное превосходство по времени выполнения над классическими аналогами, известны, однако сложность их на практике, несмотря на очень быстрый прогресс физических платформ, пока находится за пределами мировых возможностей, не говоря уже о возможностях отдельно взятых государств. Наиболее развиты в мире и в РФ на текущий момент платформы на основе джозефсоновских искусственных атомов, ионов в ловушках, холодных нейтральных ридберговских атомов.
Какие основные технические и фундаментальные препятствия сегодня стоят на пути масштабного внедрения квантовых компьютеров?
Это достаточно непростой вопрос, на который нельзя исчерпывающе ответить без использования специальных терминов и без глубокого описания сложных физических процессов, которые до сих пор являются предметом активных научных исследований по всему миру.
Общая проблема всех платформ — хрупкость квантовых состояний, подверженных декогеренции (утраты фазовой и амплитудной информации из-за остаточной связи с внешней неуправляемой средой). Эти процессы приводят к падению точности квантовых операций относительно своих эталонов, на основе которых можно было бы строить всевозможные квантовые алгоритмы. Для коррекции ошибок необходимо вводить дополнительные кубиты в квантовый регистр и использовать специальные квантовые коды коррекции.
Какие задачи или отрасли, по вашему мнению, первыми смогут воспользоваться преимуществами квантовых вычислений?
На мой взгляд, основные преимущества квантовых вычислений будут получать крупные индустриальные игроки, деятельность которых связана с квантовой химией, фармацевтикой и материаловедением. Также можно ожидать, что прибыль от квантовых вычислителей получат информационные компании, предоставляющие платный облачный доступ к таким устройствам.
Россия активно развивает квантовые технологии. Какие уникальные разработки или проекты, реализованные в рамках МФТИ, вы считаете наиболее перспективными или значимыми на мировом уровне?
В МФТИ на базе лаборатории Искусственных квантовых систем ведутся уникальные разработки в области квантового искусственного интеллекта. Данная область является новой (она зародилась в 2018—2019 гг.) и рассматривает возможность использования квантовых цепочек в качестве обучаемых моделей. У нас уже есть несколько опубликованных в ведущих журналах экспериментальных работ по данному направлению.
Также оказалось, что данная новая тематика очень интересна и нашим коллегам-ученым в КНР, с которыми мы активно ведем обмен опытом. В 2024 году мы запустили компанию-стартап под названием Сиквэл, которая, мы надеемся, позволит нам привлечь дополнительное коммерческое финансирование и облегчить научную работу с точки зрения ускорения закупочных процедур.
Насколько велика конкуренция между странами в области квантовых технологий? Как Россия может укрепить свои позиции, и какие международные партнерства кажутся вам наиболее перспективными?
Я думаю, что сотрудничество с КНР будет определяющим в ближайшие годы, и мы активно работаем в этом направлении.
Квантовые технологии требуют высококвалифицированных специалистов. Как вы оцениваете текущую систему подготовки кадров в России? Что нужно сделать, чтобы обеспечить отрасль талантами?
В первую очередь, необходимо обеспечить достойное финансирование и стабильность, уверенность в завтрашнем дне во всей научной среде. Квантовые технологии — не изолированная область. Система подготовки кадров вполне справляется со своими задачами, но вот дальнейшая судьба людей, жизненное положение которых оказывается в зависимости от прихотей «грантовой системы» финансирования исследований, может показаться малопривлекательной для молодежи, выбирающей уверенное положение в финансовых организациях и консалтинговых фирмах. Таланты нужно не только находить, но и не терять, и, более того, приумножать.
Какую роль играет государственная поддержка в развитии квантовых технологий? Достаточно ли инвестиций в эту сферу в России, и как можно привлечь частный капитал для дальнейшего развития?
Господдержка играет ключевую роль в данном направлении, и будет играть. Частный капитал удается привлекать, как мы убедились на собственном опыте, через венчурные фонды, однако это, разумеется, непростая задача с учетом ранней стадии развития отрасли.
Что лично вас больше всего вдохновляет в работе над квантовыми технологиями? И есть ли моменты, которые вызывают у вас тревогу или неопределенность?
Лично я всегда любил физику, и заниматься задачами на переднем крае знаний человечества и даже за краем — наибольшая радость для ученого. Есть и другие, более личные философские соображения, которыми я поделиться открыто не смогу. Небольшую тревогу и неопределенность вызывают лишь вопросы финансирования и поддержки существующей экспериментальной базы, однако эти тревоги свойственны ученым всех исторических периодов и стран.
Главное о квантовых компьютерах
Когда-то люди изобрели колесо — и изменили свою жизнь навсегда. Затем полет братьев Райт научил людей летать, а выросший из ARPANET интернет вместе с компьютерами увеличил нашу производительность и дал человеку доступ ко всем знаниям мира. Затем люди сделали доступ к знаниям круглосуточным, поместив в свои карманы и рюкзаки смартфоны с мобильным интернетом. После каждого изобретения наша жизнь менялась шаг за шагом, а сейчас мы на пороге прыжка — квантовые компьютеры не просто откроют нам новые возможности привычного мира. Они откроют нам новый мир. Вот что стоит запомнить о квантовых компьютерах:
- Квантовый компьютер — это суперкомпьютер, который работает на принципах квантовой механики. Он никогда не заменит классический компьютер, но может быть эффективен в специфических областях, где требуется обработка огромного количества данных или решение задач с экспоненциальной сложностью.
- Идея квантового компьютера впервые была высказана советским ученым Юрием Маниным, чуть позже независимо и более четко сформулирована Стивеном Визнером и Ричардом Фейнманом.
- В классическом компьютере все вычисления сводятся к набору нулей и единиц, двум строго определенным значениям — «Есть сигнал» и «Нет сигнала». Квантовые компьютеры работают на кубитах, способных находиться в состоянии суперпозиции.
- Суперпозиция — это способность квантовой системы находиться одновременно в нескольких состояниях до момента измерения. Это явление лежит в основе работы квантовых компьютеров и отличает их от классических. Самый яркий пример — знаменитый кот Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку.
- Квантовые алгоритмы — это методы вычислений, основанные на принципах квантовой механики. С их помощью квантовые компьютеры могут решать определенные задачи значительно быстрее, чем классические компьютеры. Самые популярные: Алгоритм Шора, алгоритм Гровера и алгоритм Дойча — Йожи.
- Квантовые компьютеры все еще находятся на ранних стадиях своего развития. Лидеры отрасли — IBM, Google, intel, но есть и стартапы, которые активно работают над увеличением числа кубитов и улучшением квантовых технологий. В России работа над квантовыми технологиями ведется квантовым консорциумом, куда входит Росатом, Российский квантовый центр, фонд «Сколково» и ряд других организаций.
