Технологические компании вкладывают миллиарды долларов в квантовые вычисления, несмотря на то, что до практического применения этой технологии ещё много лет. Так для чего же будут использоваться квантовые компьютеры будущего и почему так много экспертов убеждены, что они изменят правила игры?
Идея создания компьютера, использующего необычные свойства квантовой механики, обсуждалась с 1980-х годов. Но за последние пару десятилетий учёные добились значительных успехов в создании крупномасштабных устройств. Сейчас множество технологических гигантов, от Google до IBM, а также несколько хорошо финансируемых стартапов вложили значительные суммы в эту технологию и создали несколько отдельных машин и квантовых процессоров (QPU).
Теоретически квантовые компьютеры могут решать задачи, которые не по силам даже самому мощному классическому компьютеру. Правда, по общему мнению, такие устройства должны стать намного больше и надёжнее, прежде чем это произойдет. Однако, как только они это сделают, есть надежда, что технология позволит решить множество нерешаемых в настоящее время задач в области химии, физики, материаловедения и даже машинного обучения.
«Это не просто быстрый классический компьютер, это совершенно другая парадигма, — сказал в интервью Live Science Норберт Люткенхаус (Norbert Lütkenhaus), исполнительный директор Института квантовых вычислений при Университете Ватерлоо в Канаде. — Квантовые компьютеры могут эффективно решать некоторые задачи, с которыми классические компьютеры просто не справляются.»
Современное состояние
Самым фундаментальным строительным блоком квантового компьютера является кубит — единица квантовой информации, которая сравнима с битом в классическом компьютере, но обладает сверхъестественной способностью представлять сложную комбинацию как 0, так и 1 одновременно. Кубиты можно реализовать на самых разных аппаратных платформах, включая сверхпроводящие цепи, удерживаемые ионы или даже фотоны (частицы света).
Крупнейшие на сегодняшний день квантовые компьютеры только что преодолели отметку в 1000 кубитов, но большинство из них содержат всего несколько десятков или сотен кубитов. Они гораздо более подвержены ошибкам, чем классические вычислительные компоненты, из-за чрезвычайной чувствительности квантовых состояний к внешнему шуму, который включает в себя изменения температуры или случайные электромагнитные поля. Это означает, что в настоящее время сложно запускать большие квантовые программы достаточно долго для решения практических задач.
Это не значит, что нынешние квантовые компьютеры бесполезны, отмечает Уильям Оливер (William Oliver), директор Центра квантовой инженерии Массачусетского технологического института (MIT).
«Сегодня квантовые компьютеры в основном используют, чтобы научиться делать их больше и эффективнее, а также чтобы понять, как их можно применять», — сказал он в интервью Live Science.
Создание всё более крупных процессоров помогает учёным понять, как строить надёжные квантовые машины, и предоставляет платформу для разработки и тестирования новых квантовых алгоритмов. Такие компьютеры позволяют исследователям тестировать схемы квантовой коррекции ошибок, которые будут необходимы для реализации полного потенциала технологии. Обычно это включает распределение квантовой информации между несколькими физическими кубитами для создания одного «логического кубита», который более устойчив.
Недавние прорывы в этой области предполагают, что устойчивая к ошибкам квантовая обработка данных может быть не так далека. Некоторые компании, такие как QuEra, Quantinuum и Google, не так давно продемонстрировали способность надёжно создавать логические кубиты. Масштабирование до тысяч или даже миллионов кубитов, необходимых для решения практических задач, потребует времени и инженерных усилий, отметил учёный Люткенхаус. Но когда это станет возможным, откроется множество захватывающих приложений.
Где квантовые компьютеры могут стать прорывом
Секрет мощности квантовых компьютеров заключается в явлении под названием суперпозиция, объясняет Оливер. Это позволяет квантовой системе одновременно находиться в нескольких состояниях до момента измерения. В квантовом компьютере это даёт возможность кубитам находиться в суперпозиции всех возможных решений задачи.
«Когда мы запускаем алгоритм, неверные ответы подавляются, а правильные усиливаются, — объяснил Оливер. — Таким образом, к концу вычислений остаётся только нужный ответ.»
Это позволяет решать задачи, которые были бы слишком сложны для последовательной обработки классическим компьютером. И в некоторых областях квантовые компьютеры могут выполнять расчёты экспоненциально быстрее, чем их классические аналоги, по мере увеличения сложности задачи.
Одним из очевидных приложений является моделирование физических систем, ведь сама природа подчиняется законам квантовой механики. Квантовые компьютеры, основанные на тех же принципах, смогут эффективно моделировать поведение различных квантовых систем, что классическим компьютерам не под силу. Это может повлиять на области, такие как химия и материаловедение, где квантовые эффекты играют важную роль, и привести к открытиям в аккумуляторах, сверхпроводниках, катализаторах и даже фармацевтике.
Также квантовые компьютеры могут представлять угрозу для безопасности. Если будет достаточно кубитов, алгоритм Питера Шора (Peter Shor), изобретённый в 1994 году, сможет взломать шифрование, на котором основан Интернет. К счастью, исследователи разработали новые схемы шифрования, защищённые от этого риска, и Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) недавно утвердил новые «постквантовые» стандарты шифрования.
Новые возможности квантовых вычислений
Другие потенциальные приложения пока остаются гипотетическими, считает Оливер.
Считается, что квантовые компьютеры могут быть полезны для оптимизации, поиска наилучших решений для задач с множеством вариантов, таких как оптимизация транспортных потоков или построение маршрутов доставки. Также применение этой технологии возможно в финансовых сферах, например, для создания инвестиционного портфеля.
Однако пока что большинство алгоритмов квантовой оптимизации обеспечивают лишь экспоненциальное ускорение. Поскольку квантовое оборудование работает намного медленнее, чем современная транзисторная электроника, эти скромные преимущества алгоритмической скорости могут быстро исчезнуть при реализации на реальном устройстве.
Прогресс в квантовых алгоритмах также стимулирует развитие классических вычислений.
«По мере того, как разработчики квантовых алгоритмов придумывают различные схемы оптимизации, наши коллеги в области компьютерных наук совершенствуют свои алгоритмы, и это преимущество, которым мы, похоже, обладаем, постепенно исчезает», — добавил Оливер.
Другие области активных исследований с менее ясным долгосрочным потенциалом включают использование квантовых компьютеров для поиска в больших базах данных или проведения машинного обучения, которое предполагает анализ больших объемов данных для выявления полезных закономерностей. Ускорение здесь также не является экспоненциальным, и возникает дополнительная проблема перевода больших объемов классических данных в квантовые состояния, с которыми может работать алгоритм, — медленный процесс, который может быстро свести на нет любое вычислительное преимущество.
Но это ещё пока только начало, и есть много возможностей для алгоритмических прорывов, сказал Оливер. В этой области всё ещё продолжается поиск и разработка строительных блоков квантовых алгоритмов — небольших математических процедур, известных как «примитивы», которые могут быть объединены для решения более сложных задач.
«Нам нужно понять, как создавать квантовые алгоритмы, идентифицировать и использовать эти программные элементы, найти новые, если они существуют, и понять, как объединить их для создания новых алгоритмов», — говорит Оливер.
Люткенхаус добавил, что это должно определять дальнейшее развитие отрасли, и компаниям следует учитывать это при принятии инвестиционных решений.
«По мере развития отрасли не стоит слишком рано зацикливаться на очень специфических проблемах, — сказал он. — Нам всё ещё нужно решить множество более общих проблем, и тогда это может распространиться на множество приложений.»
