Близкое будущее квантового компьютера в наивных вопросах и ответах

Блог компании ГК ЛАНИТ. В сфере создания квантовых компьютеров в 2023 году может произойти сразу несколько значимых событий. Ожидается, что именно в этом году появится первая коммерческая модель квантового компьютера, а также будет практически завершена работа над первым российским квантовым компьютером на ионах. Будет ли это означать уверенное достижение квантового превосходства, о котором уже заявили в Google, – большой вопрос.

В гонке за кубитами участвуют сразу несколько стран, но победителя в этом научном и техническом соревновании может не оказаться. Несмотря на все успехи, наука очень далека от создания по-настоящему массовых квантовых вычислительных технологий. Мы собрали несколько наивных вопросов на этот счет и попросили ответить на них научного консультанта Artezio, доктора технических наук, профессора по кафедре прикладной математики и информатики Владимира Крылова.

От персональных компьютеров к квантовым: что даст переход с битов на кубиты?

Для начала немного о том, почему все ждут революции в области вычислительной техники. Наверняка, многие знают, что в основе работы универсальной вычислительной машины лежит принцип исполнимого алгоритма, то есть решения задачи через последовательное исполнение определенных шагов. Это вполне соответствует материализации фундаментальной теоретической модели вычислений, известной как машина Тьюринга.

На основе этой теоретической модели было достигнуто понимание основ теории вычислений и основной ее части – теории сложности. Мы знаем, что не любая функция вычислима. Более того, мы знаем, что невычислимых функций несоизмеримо больше, чем вычислимых, где может помочь компьютер. А все вычислимые функции можно классифицировать по степени роста необходимого количества операций для их выполнения при увеличении входных данных, так называемой вычислительной сложности.

Кроме того, на любом этапе технологического совершенствования компьютеров существуют задачи, решить которые можно только за время, настолько большое, что результат никого уже не будет интересовать. И таких задач больше, чем тех, которые могут быть решены за приемлемое на практике время.

В общем оказалось, что задач, реально решаемых на компьютерах гораздо меньше, чем всех, которые теоретически решаемы, вычислимы. И оставался только один путь развития вычислительных технологий – масштабирование компьютеров до гигантских размеров и уменьшения времени выполнения ими операций. Увы, и тут нас ждет разочарование: существует размер, больше которого компьютер не может существовать по законам физики.

В 1981 году Ричардом Фейнманом была предложена модель квантового компьютера. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера, которые не укладываются в привычные рамки понимания компьютерных вычислений.

Элементная база квантового компьютера – квантовые объекты. При этом он медленнее существующих ПК. Он даже отстает по объему памяти от классических компьютеров. Зато он решает задачи не путем разложения в цепочку шагов алгоритма. Поэтому квантовый компьютер способен получить решение многих задач за время, в миллионы раз меньшее, чем самый современный суперкомпьютер.

При объяснении работы квантового компьютера главный вопрос состоит в том, где же в нем выполняются параллельно все те вычислительные операции. Почему он решает задачу в миллионы раз быстрее, чем классический компьютер?

И ответ находится в интерпретации квантовой механики, называемой “многомировой”: квантовые объекты существуют одновременно во многих параллельных физических мирах. Именно там в параллельных нашему миру других мирах и происходят параллельные операции. Итак, квантовый компьютер – это принципиально другая реализация вычислений путем использования параллельных миров. Кубиты часто принято рассматривать просто как аналоги элементов классических компьютеров с двумя состояниями (битами). Но это совсем иное. Кубиты – это квантовые объекты для взаимодействия с параллельными мирами. Программировать квантовый компьютер значит управлять этим взаимодействием.

Сложности создания: почему квантовый компьютер еще не стал массовым?

Функционирование кубитов требует их исключительной изоляции от внешних воздействий. Квантовый компьютер в конструкции имеет существенно больше элементов глубокого охлаждения (вплоть до криогенных температур в 0.015 градуса Кельвина) и защиты от внешних помех, чем физических объектов, выполняющих функции кубитов.

kvkomp1.pngИсточник: https://www.gazpd.ru/

Но даже при таких тщательно разработанных, изготовленных и смонтированных вспомогательных агрегатах сегодняшний квантовый компьютер не способен стабильно выполнять квантовые алгоритмы. Его работа нестабильна и сопровождается ошибками. Современные тренды в разработке квантовых компьютеров направлены на создание методов исправления этих ошибок. Большинство разработок квантовых алгоритмов ведется для так называемых Noisy intermediate-scale quantum (NISQ) компьютеров (с промежуточным уровнем шума).

Выход квантового компьютера за пределы научной лаборатории определяется наличием NISQ-алгоритма для решаемой задачи.

Кроме этого, для успешного создания квантовых компьютеров необходимо понимание их места в архитектуре вычислительных инструментов. Сегодня – это специализированные ускорители. Они применяются в общей архитектуре сетей из классических компьютеров. И появление встроенных в какие-либо устройства квантовых вычислителей пока остается за гранью фантазии даже энтузиастов. Проблема развития квантовых компьютеров исключительно наукоемкая и решается пока по законам науки. Никакими рыночными инструментами ускорить решение этой проблемы невозможно.

Но нельзя сбрасывать со счетов непредсказуемое появление кубитов на иных, чем сегодня физических принципах, которые окажутся стабильными и управляемыми квантовыми объектами.

Тогда проводимые в настоящее время разработки квантовых алгоритмов дадут быстрый результат. Но почему тогда правительства разных стран и ИТ-компании заявляют о наличии «дорожных карт» по созданию и выводу на массовый рынок квантовых компьютеров?

Эти «дорожные карты» направлены на количественный рост числа интегрированных в компьютер кубитов. Первый поставляемый компанией IBM серийный квантовый компьютер IBM Quantum System One имеет квантовый процессор Eagle с 127 кубитами. Следующим таким компьютером, поставки которого начнутся с 2023 года, является IBM Quantum System Two с 433 и 1121 кубитами. Это позволит бороться с проблемами ошибок путем дублирования. Выпуск этих компьютеров позволит и дальше выделять финансирование на научные разработки, которые могут принести непредсказуемый, но прорывной результат в области создания квантовых устройств.

На рынке квантовых компьютеров уже работают больше 400 компаний. В разработку и выпуск аппаратной (самой дорогой) составляющей инвестируют Amazon, Archer, Atos, Fujitsu, Google, Hitachi, Honeywell, IBM, Intel, NEC, Nvidia, Quantum Computing Inc., Quantum Numbers Corporation, Toshiba. С крупными игроками конкурируют и другие частные компании, например, PsiQuantum, Rigetti, D-Wave, IonQ, Xanadu, Quantum Circuits Inc., Delft Circuit, Quemix, Turing Inc.

kvkomp2.pngИсточник: http://www.rfid-wiot-search.com

Гонка за кубитами: какая страна станет лидером в разработке квантовых компьютеров – США, Китай или, может быть, Россия?

На этот вопрос я могу ответить так: квантовые вычисления и квантовые компьютеры в целом – это слишком научная сфера разработок. И история высоких технологий говорит, что США в таких задачах всегда оказывались впереди. Но именно в области квантовых компьютеров существует высокий уровень негомогенности, и отдельные задачи оказываются гораздо ближе к практическому решению существующими средствами, чем многие другие.

Напомню, что квантовый компьютер – это пока не полностью универсальная вычислительная машина, а специализированный вычислитель. И если выбрать такую задачу, где решение определяется достижением некоторого количественного технологического показателя, то Китай вполне может выиграть гонку.

Все будет решать ситуация с общим уровнем поддержки научных исследований и образования в этой специфической области. Если говорить об образовании, то в прошлом году российские студенты проявили желание участвовать в процессе сертификации IBM по квантовым вычислениям. Большинство предложенных задач представлялись нашим студентам преодолимыми по уровню полученных умений на семинаре. В рамках регистрации мы узнали имена тех, кто подал заявки. Так вот, кроме ожидаемых представителей из США, КНР и Европы подавляющее число заявителей было из африканских стран. Из России имен мы практически не увидели. Поэтому у меня вызывает глубокое сомнение успех российской “дорожной карты” по квантовым вычислениям. Хотя если понимать поставленную в ней задачу, как появление к 2025 году первых квантовых компьютеров от 30 до 100 кубитов, то как физическая установка такой квантовый компьютер вполне воспроизводим. Но кто и для чего сможет его использовать – это вопрос.

Кому и зачем: какие задачи способен сегодня решать квантовый компьютер?

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.3 (3 votes)
Источник(и):

Хабр