Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?

Компьютерные технологии неустанно развиваются. Обычные смартфоны теперь способны выполнять задачи, на решение которых в прошлом требовалась мощность огромных вычислительных машин. Впрочем, человечество стоит на пороге куда более масштабного технологического скачка. Он произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Всего за несколько минут он сможет решить задачу, на которую даже у самых мощных суперкомпьютеров уйдут десятилетия и даже столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, однако технологии с каждым годом совершенствуются. «Лента.ру» и Homo Science рассказывают, что такое квантовые технологии и каким образом они могут изменить мир.

Одним из первых о создании квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По мысли ученого, такие машины способны моделировать сложные квантовые системы, например, атомы, что не по силам обычному, классическому компьютеру, которому для этого требуется колоссальный объем вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — хотя на тот момент не существовало даже их прототипов — способны на то, на что не способны даже мощнейшие суперкомпьютеры.

В 1996 году американский математик Лов Гровер предложил квантовый алгоритм решения задачи перебора, который теоретически способен ускорить поиск внутри гигантских баз неупорядоченных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью.

Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников.

Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату.

Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений.

Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.

В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра.

На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей.

Что такое квантовое превосходство

Квантовое превосходство — это свойство квантовых компьютеров решать задачи, которые не способны решить классические компьютеры за обозримый период времени. Сейчас ученые рассматривают это достижение больше как доказательство принципа, чем то, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность таких вычислений.

В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.

Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня.

Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли. Китай создал новый центр квантовых исследований (National Laboratory for Quantum Information Sciences) стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период. Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов.

Как работают квантовые компьютеры

Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона. До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах. Однако квантовые системы трудно поддерживать в состоянии суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается (система декогерирует) в результате взаимодействия с окружающей средой.

Чтобы добиться квантового превосходства, необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью. Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами.

Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году. Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров.

Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2.0, прогнозирует, что по мере совершенствования квантовых микросхем вычисления будут становиться все быстрее и смогут решать проблемы, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам на планете. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений.

Как применяются квантовые компьютеры сейчас

Все больше крупных компаний разрабатывают квантовые компьютеры, обеспечивая доступ к ним через облачные технологии. Заказчиками могут быть университеты, исследовательские институты, а также различные организации, которые заинтересованы в том, чтобы протестировать возможные сценарии использования таких вычислений. Рынок пока невелик: по оценкам Hyperion Research , в 2020 году он составил 320 миллионов долларов, однако его ежегодный рост составляет почти 25 процентов.

Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов. Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач. Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы. Например, PsiQuantum привлек 665 миллионов долларов на создание квантовых компьютеров на базе запутанных фотонов.

В настоящее время усилия ученых сосредоточены на двух направлениях: создании универсальных квантовых компьютеров для широкого круга задач и специализированных квантовых вычислителях. Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов. В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач.

IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях.

ИИ и криптосистемы

Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта (ИИ). ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации. Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка.

ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ.

Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток. Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему.

Другой областью, которая значительно изменится с появлением квантовых компьютеров, станет криптография. Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS (TLS), необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок. Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным.

Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем. Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST (Национальный институт стандартов и технологий, США) разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым. Однако уже сейчас существуют прототипы защитных протоколов будущего, доступные для тестирования. Полный переход к ним может затянуться на 15-20 лет.

Квантовые компьютеры изменят мир и общество

Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера. Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей.

Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты.

С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике. Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети.

Ожидаются изменения и в финансовом секторе, где квантовые вычисления поспособствуют более глубокой аналитике и новым торговым возможностям, например, ускорению транзакций и обмена данными. Многие крупные банки, включая JP Morgan Chase, Goldman Sachs, BBVA Bank, Barclays, уже экспериментируют с квантовыми технологиями, чтобы оценить их роль в ближайшем будущем. Экспоненциально ускоренные вычисления могут иметь огромное значение для финансового моделирования, что изменит оценку инвестиционных проектов и повлияет на бизнес-стратегии. Компании, которые смогут позволить себе квантовый компьютер, обретут огромное конкурентное преимущество.

Источником дохода для компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, станут услуги удаленного доступа к их ресурсам. Хотя в будущем квантовые компьютеры получат широкое распространение, в настоящее время заказчики более склонны к тому, чтобы выполнять квантовые вычисления через облако, а не совершать рискованные инвестиции в дорогостоящее оборудование. Параллельно с этим будет расти предложение программных приложений для квантовых компьютеров, инструменты для разработки. Появятся специалисты, которые будут развивать инфраструктуру, используя мощь двух технологий — квантовых вычислений и искусственного интеллекта, изучение которых станет неотъемлемой частью учебной программы.

В России в рамках создания Национальной квантовой лаборатории на первом этапе планируют запустить образовательные проекты и заняться подготовкой высококвалифицированных кадров. Планируется создать устойчивую экосистему квантовых вычислений и вывести ее на международный уровень, что объединит представителей науки, бизнеса и инноваций. Все это поможет нашей стране достигнуть высокого уровня в этой сфере и значительно повысить скорость вычислений и решения сложнейших задач науки.