Увидят ли когда-нибудь квантовые компьютеры свет или они станут совершенной пустяковой программой?

Просмотрите пожелтевшие экземпляры любого компьютерного журнала, и вы обнаружите неоднократные упоминания о том, что квантовые компьютеры стали «следующим большим достижением» за последнее десятилетие или даже больше. Так почему же на полках PC World до сих пор нет квантовых компьютеров?

Квантовые компьютеры действительно существуют, но чтобы увидеть их, вам придется посетить лаборатории таких корпораций, как Google или IBM, а не вашу местную главную улицу. Если бы вы это сделали, то, с чем вы столкнулись бы, сильно отличалось бы от прямоугольной коробки, тихо гудящей под вашим столом.

«Квантовые компьютеры — это совершенно новая технология, которая имеет очень мало общего с обычными компьютерами», — говорит Винфрид Хенсингер, профессор квантовых технологий в Университете Сассекса. «Квантовые компьютеры будут использоваться там, где вы не сможете решить проблему другим способом. Таким образом, даже самому быстрому суперкомпьютеру в мире могут потребоваться миллионы, миллиарды или годы, чтобы вычислить то, что может вычислить квантовый компьютер».

Итак, если оставить в стороне вводящие в заблуждение заголовки о том, что квантовые компьютеры захватывают мир, каково реальное будущее этой технологии?

Большая разница

Объяснить, как работают квантовые компьютеры, сложно, потому что это противоречит всему, что мы знаем о вычислениях – или самой физике. Обычные компьютеры используют биты, которые могут иметь одно из двух значений: единицу или ноль. Компьютер записывает строки из этих единиц и нулей в память, последовательно их обрабатывает и выдает ответ. Важно отметить, что обычный компьютер может выполнять эти вычисления только по одному, современные компьютеры делают это невероятно быстро.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЬШЕ: Что такое квантовые вычисления?

Квантовый компьютер делает то же самое, но с одним ключевым отличием. Вместо битов квантовый компьютер использует в качестве базовой единицы информации квантовые биты или кубиты. В отличие от стандартного бита, квантовый бит может быть как единицей, так и нулем.

«В квантовой физике… атом может находиться в двух разных местах одновременно», — объясняет Хенсингер. «Много лет назад я провел эксперимент, заставив атом двигаться вперед и назад одновременно. Итак, представьте, что вы сидите в своей машине и, выезжая с парковки, врезаетесь в машину впереди вас, вы также врезаетесь в машину позади себя. И то, и другое одновременно».

(Профессор Винфрид Хенсингер, фото: Университет Сассекса)

Этот эффект известен как квантовая суперпозиция. На уровне одного кубита это не очень полезно. Однако если вы добавите еще один кубит, все станет интереснее. «Когда у вас есть два квантовых бита, вы можете одновременно программировать ноль-ноль, ноль-единица, один-ноль, один-один», — говорит Хенсингер. «Вы можете сохранить все возможные комбинации в этих двух квантовых битах, и теперь, когда эти два квантовых бита поступают в процессор, квантовый процессор выполняет все вычисления одновременно».

Следовательно, потенциальная вычислительная мощность квантового компьютера увеличивается экспоненциально с увеличением количества добавляемых кубитов. Порог, при котором квантовые компьютеры могут превзойти обычные компьютеры при выполнении определенных задач (точка, известная как квантовое превосходство), составляет около 50 кубитов. К этому моменту квантовый компьютер сможет выполнять более квадриллиона вычислений одновременно.

Достигнув рубежа

Звучит впечатляюще, но достичь отметки в 50 кубитов сложно – это одна из причин, почему мы все еще говорим о квантовых компьютерах в лабораториях, а не о серверных стеках. Квантовые состояния чрезвычайно хрупкие. Любое взаимодействие с окружающей средой может легко разрушить квантовое состояние. Простое наблюдение за кубитом в действии может заставить его занять одно состояние, разрушая суперпозицию. Это похоже на работу с социально антисоциальным гениальным математиком, который может работать, только если его оставить в покое. Если она хотя бы почувствует в комнате кого-то еще, она физически потеряет сознание и не сможет функционировать.

«Это похоже на работу с социально антисоциальным гениальным математиком, который может работать, только если его оставить в покое»

Чтобы избежать этой проблемы, требуются интенсивные и изобретательные инженерные разработки. В настоящее время существует несколько различных подходов к созданию квантового компьютера. Первый из них — сверхпроводящие квантовые вычисления, метод, используемый Google, IBM и Intel. По сути, это предполагает охлаждение микрочипа, который поддерживает схему вплоть до границы абсолютного нуля (-273,15°C). Это позволяет току течь практически без сопротивления, что является идеальной средой для квантовых состояний.

Второй метод известен как квантовые вычисления с ионной ловушкой, и это область, на которой специализируется Хенсингер. Этот метод также включает охлаждение кубитов до абсолютного нуля, но вместо этого он выполняется путем освещения двумя лазерами атомов, образующих кубиты, и настройки частоты. поэтому лазеры охлаждают атом напрямую. Это также имеет еще один эффект. «Есть кое-что более интересное в захваченных ионах: ион действительно левитирует», — говорит Хесигнер. «Они ни с чем не связаны. И именно поэтому так легко манипулировать захваченными ионами, чтобы создать квантовые ворота».

(Квантовый компьютер с захваченными ионами использует два лазера для охлаждения кубитов почти до абсолютного нуля)

Оба подхода вполне жизнеспособны для создания небольших квантовых компьютеров. Текущий рекорд составляет около 17 кубитов, и Google и IBM работают над 50-кубитными сверхпроводящими квантовыми компьютерами (на самом деле, IBM недавно протестировала прототип 50-кубитного квантового процессора). Но достижение квантового превосходства — это только первый шаг. Чтобы создать квантовый компьютер, способный на что-либо практическое, требуется гораздо больше кубитов, число которых исчисляется миллиардами в зависимости от проблемы, которую вы пытаетесь решить. Для такого рода машин нынешняя архитектура просто непрактична. Такие машины будут ошеломляюще огромными, а их постройка и питание будут чрезвычайно дорогими.

Альтернатива D-Wave

Существует еще один подход к квантовым вычислениям. Возможно, вы слышали о компании D-Wave, которая создала квантовые компьютеры с гораздо большим количеством кубитов, чем кто-либо другой в этой области, а совсем недавно заявила, что создала машину с более чем 2000 кубитами. Но машины D-Wave сильно отличаются от тех, что создают Google и IBM. Компьютеры D-Wave — это так называемые квантовые отжигатели, и они работают с помощью метода, известного как адиабатические квантовые вычисления.

Ключевое различие между квантовым отжигом и квантовыми вычислениями, известными как «вентильная модель», заключается в том, что они используют естественную эволюцию квантовых состояний. «Обычно мы описываем это как выполнение вычислений в низкоэнергетическом состоянии взаимодействующей квантовой системы», — говорит доктор Элизабет Кроссон, эксперт по адиабатическим квантовым вычислениям в Институте квантовой информации и материи Калифорнийского технологического института. «Эти кубиты… их взаимодействия определяют их энергию, и идея адиабатических вычислений заключается в том, чтобы находиться в самом низком состоянии».

Это означает, что квантовые отжигатели могут масштабироваться гораздо быстрее, поскольку среда, в которой существуют кубиты, меняется очень постепенно. Тем не менее, хотя они могут быть такими же мощными, как и другие квантовые компьютеры, кубиты в их естественном состоянии сталкиваются с большим количеством «шума», что затрудняет выполнение значимых вычислений на них. «С точки зрения производительности машина D-Wave может конкурировать с современными процессорами с 2000 кубитами», — говорит Кроссон.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЬШЕ: Квантовые вычисления достигают совершеннолетия

Это не означает, что квантовые отжиги следует игнорировать. По крайней мере, они являются хорошим подтверждением концепции и полезны для решения конкретных типов проблем. Вполне возможно, что они тоже достигнут квантового превосходства, хотя и с гораздо большим количеством кубитов, чем универсальный квантовый компьютер. Чего вы, вероятно, не увидите с помощью квантовых отжигателей, так это значительного экспоненциального увеличения вычислительной мощности, которое обеспечат универсальные квантовые компьютеры.

«Люди часто говорят, что адиабатическая модель на самом деле является аналоговым компьютером», — объясняет Кроссон. «Таким образом, даже несмотря на то, что в качестве типа данных у вас есть биты, поскольку вы плавно меняете взаимодействия в системе, и она плавно меняет ваши низкоэнергетические состояния, это фактически делает это формой аналоговых вычислений. Если вы посмотрите на историю классических компьютеров, то увидите, что на ранних этапах аналоговые компьютеры были очень важны и полезны. А затем в долгосрочной перспективе их опередили цифровые компьютеры».

Что на них будет работать?

Аппаратное обеспечение достигает точки, когда оно сравнимо по производительности с современными компьютерами. Но оборудование — это только половина дела. Как и любому компьютеру, квантовым компьютерам для работы требуется программное обеспечение. Как и в случае с аппаратным обеспечением, квантовое программное обеспечение сильно отличается как по тому, как оно помогает работать квантовому компьютеру, так и по его практическому применению.

Любопытная проблема с использованием квантового компьютера заключается в том, что, поскольку компьютер одновременно выполняет множество вычислений, он также выдает несколько ответов. Конечно, пользователю обычно нужен только один ответ. Но если вы попытаетесь прочитать этот ответ неправильно, квантовое состояние нарушится, и компьютер выдаст случайный ответ. «Если вы хотите использовать его для вычислений, вам нужно добавить в смесь еще один ингредиент», — говорит Гарри Бурман, профессор информатики Амстердамского университета и директор исследовательского центра квантового программного обеспечения QuSoft.

(Гарри Бурман. Фото: Амстердамский университет)

Этот ингредиент известен как интерференция — явление, при котором частицы действуют как волны. «В бассейне есть волны, а если вы создадите две волны с двух сторон бассейна, то там, где они встречаются, они будут мешать», — объясняет Бурман. «Они могут конструктивно вмешиваться, и вы получаете более высокие волны, или они могут вмешиваться разрушительно, и вы не получаете волн. То же самое мы хотим сделать с квантовыми вычислениями: вы создаете суперпозицию всех этих вычислений, но тогда природа позволяет вам мешать им друг другу. Если вы сделаете это правильно, вы вмешаетесь в вычисления, которые не хотите игнорировать, и усилите те, которые хотите увидеть».

Этого очень сложно добиться, поскольку природа интерференционной картины, которую вы хотите, меняется в зависимости от типа вычислений, которые вы пытаетесь выполнить, и даже тогда это работает только для определенных типов задач.

Итак, чем именно полезны квантовые компьютеры? Для нынешних и ближайших квантовых компьютеров – тех, которые достигают квантового превосходства с 50–100 кубитами – ответ будет совсем не очень большим. «Проблемы, которые мы рассматриваем, носят чисто математический характер», — говорит Майкл Бремнер, профессор квантовых вычислений в Сиднейском технологическом университете, который специализируется на этих конкретных проблемах текущего поколения. «Они больше ориентированы на разработку контрольных точек и устройств для сравнительного тестирования. Алгоритмы, над которыми я сейчас работаю, представляют собой рандомизированные вычисления, и, если вы посмотрите на выходные данные, вам потребуется очень, очень большой объем обработки, чтобы понять, что из них выходит что-то кроме полных случайных чисел. устройство».

Даже когда мы доберемся до практических квантовых компьютеров, на что может потребоваться еще 20 лет, они будут работать экспоненциально быстрее, чем обычный компьютер, только для ограниченного числа приложений. Возможно, наиболее важным из них является их способность моделировать другие квантовые системы, а именно атомные структуры и химические реакции. Электроны вокруг атома также существуют в суперпозиции, и с помощью современных компьютеров очень сложно рассчитать, как они себя ведут. «Каждый раз, когда вы добавляете электрон, возможности удваиваются или даже более чем удваиваются, а при небольшом количестве электронов возможности настолько велики, что мы больше не можем вычислить, что происходит на нашем классическом компьютере», — объясняет Бурман. «Но на квантовом компьютере, который по своей сути является квантовомеханическим, вы можете моделировать эти реакции».

Возможность моделировать химические системы с такой точностью может позволить нам разрабатывать более качественные лекарства, лучшие материалы и улучшить нашу способность понимать, как работают фундаментальные строительные блоки Вселенной, а это очень важно.

Когда на сцене появятся квантовые компьютеры, шифрование с открытым ключом перестанет быть безопасным.

Другая широко рекламируемая функция практических квантовых компьютеров — это их способность взламывать шифрование с открытым ключом, например, используемое современными веб-браузерами. Когда на сцене появятся квантовые компьютеры, эта форма шифрования перестанет быть безопасной. Это не обязательно самое интересное применение квантовых компьютеров, но, возможно, самое актуальное.

Действительно, Бурман стремится подчеркнуть важность этой способности и то, насколько срочно мы должны реагировать на нее сейчас, даже несмотря на то, что крупномасштабные квантовые компьютеры еще не существуют. «Произойдет то, что люди смогут перехватить эту информацию. Они не могут его прочитать, не могут расшифровать, но могут сохранить и сохранить на будущее, а затем, как только квантовый компьютер станет доступен, они смогут расшифровать то, что отправляется сейчас».

В настоящее время изучаются новые методы шифрования для противодействия этой будущей уязвимости. Один просто предполагает более сложное шифрование на классических компьютерах, таких как Google. Новая Надежда программа. «Проблема здесь в том, что мы никогда не уверены, что квантовый компьютер действительно не сможет взломать эту систему», — замечает Бурман. «Может быть, кто-то скоро придумает быстрый алгоритм и сломает его».

Другой метод предполагает отправку информации, зашифрованной в квантовом состоянии, в виде фотонов по оптоволоконному кабелю. Это сработает, потому что в тот момент, когда кто-то попытается перехватить информацию, квантовое состояние будет нарушено, предупреждая отправителя о перехвате. На данный момент это работает только на коротких дистанциях около 300 километров. «Проблема в том, что если вы посылаете фотоны по оптоволокну (так закодированы кубиты), то на самом деле волокно будет наблюдать за фотонами».

Мы знаем, что именно с этими функциями квантовые компьютеры справляются превосходно. Но правда в том, что в будущем может появиться множество приложений, которые мы просто не можем предсказать, точно так же, как пионеры традиционных вычислений в 1940-х годах не могли предсказать, что мы будем использовать их сегодня для всемирной связи и обмена информацией. Вполне возможно, что квантовые компьютеры изменят мир так, как мы даже не можем себе представить.

Назад в реальность

Но давайте перестанем смотреть на звезды. Люди десятилетиями делали прогнозы о влиянии квантовых компьютеров. Есть ли какие-либо веские доказательства того, что эти штуки не являются чем-то иным, как совершенным пароварством?

Следующий непосредственный шаг — квантовое превосходство. Весьма вероятно, что в ближайшие год-два квантовый компьютер будет выполнять очень сложные вычисления быстрее, чем обычный компьютер, но это не будет простой процесс. «Следующее, что кто-то скажет: «Ну, я могу запустить это на своем суперкомпьютере, и вот данные», — говорит Бремнер. «Что меня сейчас интересует, что я разрабатываю в качестве следующего шага, так это показать, как это можно сделать недвусмысленным способом».

Как только превосходство будет подтверждено, речь пойдет о наращивании количества кубитов до такой степени, что квантовые компьютеры смогут решать практические задачи. Как правило, это произойдет через 20 лет. Но недавнее исследование Хенсингера и его студентов может существенно снизить эту оценку.

В прошлом году Хенсингер и его команда опубликовали статью, в которой продемонстрировано, что вместо использования лазеров для улавливания ионов того же результата можно достичь, подав напряжение на микрочип. «Мы упростили проблему таким же образом, как и в обычном компьютере: в обычном компьютерном процессоре есть транзисторы, и это, по сути, подача напряжения для выполнения логического элемента», — говорит он.

Это привело к разработке проекта крупномасштабного квантового компьютера. «Когда я говорю масштабно, что я имею в виду? Я не имею в виду 50, или 70, или 85, или 250 (кубитов), я имею в виду миллиард». Хенсингер и его команда в настоящее время конструируют прототип компьютера в своей лаборатории в Брайтоне, который, по его оценкам, будет завершен в течение следующих 18 месяцев или двух лет.

Квантовые вычисления наступают. «Для меня, человека, который работал над теорией, просто удивительно, что мы подходим к моменту, когда мы собираемся протестировать некоторые вещи, над которыми я работал», — говорит Бремнер.

Но что, если после всех усилий они дойдут до того, что включат эту штуку, а она не будет работать? «Сейчас мы находимся в квантовых вычислениях: либо они будут работать так, как мы предсказывали, либо мы узнаем о новой физике, о которой ничего не знали», — говорит Бремнер. Будем надеяться, что он не получит утешительный приз.

На главном изображении: профессор Винфрид Хенсингер и доктор Себ Вайдт с прототипом квантового компьютера. Кредит: Университет Сассекса