Загадки квантового компьютера

Загадки квантового компьютера

Когда ждать первых промышленных экземпляров.
High Tech и связь / Борис Соловьев 05 Мар 2018, 17:30
Загадки квантового компьютера

В начале января на выставке потребительской электроники CES2018 компания IBM представила квантовый компьютер на 50 кубитов. Может сложиться впечатление, что наибольшими достижениями в этой новой и непонятной большинству отрасли могут похвастаться американские компании. В затылок им вроде бы дышат китайцы, а Россия пока никакими работающими экземплярами похвастаться не может. Однако в квантовом мире многое работает совсем не так, как предписывает обычный здравый смысл.

Квантовая механика

Принцип работы квантового компьютера сложно понять и еще сложнее объяснить тем, кто не изучал третий том «Теоретической физики» Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица и ничего не слышал про уравнение Шредингера. Квантовые частицы, такие как электроны или фотоны, живут по своим законам, неподвластным ни классической физике, ни теории относительности. Так, у квантовой частицы нет определенного состояния или положения в пространстве – эти характеристики определяются вероятностным фактором. И она может находиться одновременно в нескольких состояниях (так называемая суперпозиция).

На этом и основано действие квантовых процессоров. Привычные всем компьютеры работают на основе классических битов, могущих принимать значение 0 0000или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут принимать значение 0, 1, а также 0 и 1 одновременно. А потому меняются принципы решения математических задач. Если обычный компьютер, например, при игре в шахматы будет последовательно перебирать все возможные варианты, то квантовый компьютер просчитает их одновременно.

Новые принципы вычислений открывают возможность решения задач, недоступных сейчас даже суперкомпьютерам. Например, это создание новых материалов, в том числе и лекарств, с заданными свойствами, моделирование молекул ДНК. По некоторой информации, на существующих сейчас квантовых устройствах такие работы уже выполняются.

Но самое опасное применение квантовой вычислительной техники заключается в возможности быстро вскрыть любой код и шифр, в том числе созданный с использованием блокчейна. Таким образом, становятся уязвимыми не только банковские шифры и пароли, но и все имеющиеся оборонные системы.

В свою очередь, квантовые шифры пока нельзя вскрыть даже теоретически. Дело в том, что при измерении состояния квантовой частицы пропадает принцип суперпозиции, то есть измеренное состояние, например, фотона, будет совсем не то, чем было до начала измерения. Поэтому любое воздействие извне необратимо разрушает систему и всю хранящуюся в ней информацию.

И все же квантовые компьютеры будут мало чем отличаться от обычных там, где не нужно работать с огромными массивами данных, проводить сложные математические вычисления, «перебирать» миллиарды вариантов для поиска решений. Например, при использовании для просмотра Интернета или общения в социальных сетях.

Квантовая запутанность

Сейчас созданию полноценного «супервычислителя» мешает ряд технологических проблем. Любой квант является нестабильной частицей, а кубиты должны находиться в состоянии суперпозиции бесконечно долго, иначе вся накопленная информация будет мгновенно и безвозвратно теряться. Для стабильности квантов нужны условия, которые очень трудно и дорого достигаются в земных условиях при нынешнем уровне научно-технического прогресса. Основными из этих требований являются поддержание температуры работы компьютера, близкой к абсолютному нулю (–270 ºС), практически абсолютный вакуум и защита системы от электромагнитных полей и излучений всех типов.

Пока имеющиеся квантовые компьютеры трудно отнести к коммерческим устройствам, созданным для осуществления конкретных вычислений. Скорее это некие экспериментальные разработки, прототипы будущего. По оценкам ученых, реальные промышленные устройства появятся не ранее середины следующего десятилетия.

Тем не менее, по данным портала ITnews, IBM заявила о планах создать коммерческий квантовый компьютер c 50 кубитами в ближайшие несколько лет. Причем к нему будет открыт платный доступ через облачные сервисы. IBM уже предоставляет облачную платформу для экспериментов с квантовым компьютером, но его вычислительная мощность составляет лишь 5 кубитов.

Работы в области создания квантовых компьютеров активно ведут компании Microsoft, Alphabet, а также Intel, которая представила на выставке CES2018 собственный квантовый процессор на 49 кубитов. Активно включился в гонку и Китай, пытающийся обогнать конкурентов за счет рекордных инвестиций в разработки.

При этом в прессе прошли сообщения, что канадская компания D-Wave Systems уже начала продажи своего 2000-кубитного квантового компьютера D-Wave 2000Q. Первый прибор ушел за $15 млн. Но эта информация вызывает много вопросов. Прежде всего, ряд экспертов говорит, что производительность D-Wave 2000Q сопоставима с мощностями современных компьютеров, в то время как настоящая 2000-кубитная машина должна бы в миллионы раз превосходить все классические вычислительные машины. Да и непонятно, почему остальные мировые IT-разработчики не могут создать стабильные квантовые системы объемом больше 50 кубитов, если это удалось канадцам.

Вообще информации о проводимых исследованиях, конкретных инвестициях и создании образцов квантовых компьютеров крайне мало не только в популярной прессе, но и в специализированных источниках. А сами сведения часто носят противоречивый характер. Складывается впечатление, что крупные корпорации, ведущие работы в этом направлении, засекречивают свою деятельность и четко дозируют выход информации, периодически запуская в СМИ «утки».

Такая секретность была бы понятна: тот, кто первый создаст полноценный квантовый компьютер, получит огромные преимущества перед конкурентами. Но копировать чужие разработки намного дешевле, чем самому идти неведомой дорогой методом проб и ошибок. Так что утечка технологий и перспективных идей может дорого стоить.

Теория работы новой вычислительной машины понятна и известна, а вот технологии для создания стабильных условий существования квантов находятся еще в разработке. Аналогичная ситуация была в конце 40-х годов прошлого века, когда ученые СССР понимали физику процесса ядерного взрыва, но технологий создания ядерного заряда не было. И лишь действия советской разведки помогли получить необходимые знания и, возможно, спасти планету от очередной мировой войны. Нынешняя ситуация с созданием квантового компьютера чем-то напоминает тот период.

Квантовая суперпозиция

Столь же загадочна ситуация с применением квантов в вычислительных целях в России. Буквально на днях в рамках инвестиционного форума «Сочи‑2018» Внешэкономбанк, Фонд перспективных исследований, «ВЭБ-инновации», МГУ имени М. В. Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» подписали соглашение о создании в России 50-кубитного квантового компьютера.

Денег на это потребуется немало. По оценке генерального директора Российского квантового центра Руслана Юнусова, IBM, Microsoft, Intel и Google вкладывают в разработки порядка $100 млн каждый, а китайская Alibaba – в полтора раза больше. «Если мы хотим такого же масштаба уровень, то и инвестиции должны быть соизмеримы, а это порядка $100 млн», – цитирует ТАСС эксперта.

Вряд ли ВЭБ будет финансировать за счет собственных средств этот проект – уж слишком венчурным он является и необходимые на его реализацию инвестиции даже для этого банка существенны. Но можно предположить, что затраты на себя возьмет государство, возможно, частично за счет оборонного бюджета.

Хотя если верить «Первому каналу», то самый мощный в мире квантовый компьютер с числом кубитов 51 у России уже есть. Создал его профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин. И объявлено было это еще в середине прошлого года на Четвертой международной квантовой конференции в Москве. На ней, кстати, присутствовал и один из главных разработчиков компании Google, глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» Джон Мартинес. И, похоже, что он признал первенство российского коллеги: «Это действительно сложно – создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов».

Так что из открытых источников понять, находится ли Россия в числе лидеров разработки квантовой вычислительной техники или отстает на годы от тех же США и Китая, просто невозможно. Вполне вероятно, что истинное положение дел в нынешний момент мы узнаем лишь спустя годы, как это произошло с разработкой первого ядерного оружия. Быть может, Россия вообще находится в суперпозиции, одновременно создав самые передовые в мире квантовые компьютеры и в то же время отставая в разработках от лидеров на многие годы. Теории квантовой физики такой расклад не противоречит.

Подписывайтесь на нашу рубрику:
Для подпсики необходимо авторизироваться
Укажите вашу электронную почту в личном кабинете
Комментарий
Чтобы оставить комментарий необходимо авторизироваться