Квантовий компьютер. Что такое квантовые вычисления?

20 июля 2024

Квантовые вычисления – это новый подход к вычислениям, использующий принципы фундаментальной физики для быстрого решения сложнейших задач.

К примеру, подбросьте монетку. Орел или решка, верно? Конечно, как только мы увидим, как рухнет монетка. Но пока монетка вращается в воздухе, это не орёл и не решка. Это некоторая вероятность того и другого.

Это состояние называется суперпозицией, являющейся упрощенной основой квантовых вычислений.

Цифровые компьютеры в течение десятилетий облегчали обработку информации. Но квантовые компьютеры готовы вывести вычисления на новый уровень. Квантовые компьютеры представляют собой совершенно новый подход к вычислениям. Они имеют потенциал для решения сложнейших статистических задач, выходящих за пределы возможностей современных компьютеров. Квантовые вычисления имеют столько перспектив, что правительство США определило их как одну из следующих больших тенденций в технологиях. Квантовая технология может создать доход в триллионы долларов в течение следующего десятилетия.

Как работает квантовый компьютер?
Вот как работают квантовые вычисления: классические вычисления, технология, питающая ноутбук и смартфон, построенные на битах. Бит – это единица информации, которая может хранить или ноль, или единицу. Напротив, квантовые вычисления построены на квантовых битах или кубитах, которые могут хранить нули и единицы. Кубиты могут представлять любую комбинацию как нуля, так и единицы одновременно — это называется суперпозицией, и это базовая характеристика любого квантового состояния. Чипы – это физическое оборудование, которое хранит кубы, как и в классических вычислениях.

Когда классический компьютер решает задачу с несколькими переменными, он должен производить новый расчет всякий раз, когда переменная меняется. Каждое вычисление – это один путь к одному результату. Однако квантовые компьютеры могут исследовать многие пути параллельно с помощью суперпозиции.

Кроме того, кубиты могут взаимодействовать друг с другом. Это известно как запутанность. Запутанность позволяет кубитам масштабироваться экспоненциально; два кубита, например, могут хранить и обрабатывать четыре бита информации, три могут обрабатывать восемь и т.п. д. Это экспоненциальное масштабирование дает квантовому компьютеру гораздо большую мощность, чем классические компьютеры.

Большие технологические организации делают ставки на квантовые технологии. В 2019 году Google заявила, что ее квантовый компьютер решил всего за 200 секунд задачу, на решение которой классическому компьютеру понадобилось бы 10 000 лет (хотя другие технологические организации и ученые выразили сомнения в обоснованности заявления Google).

Даже если заявление Google было точным, достижение было скорее теоретическим скачком вперед, чем практическим, поскольку проблема, которую решил его квантовый компьютер, не имела реального применения. Но мы быстро приближаемся к тому времени, когда квантовые компьютеры повлияют на нашу жизнь.

Зачем используются квантовые компьютеры?
Современные классические компьютеры относительно просты. Они работают с ограниченным набором входных данных, используют алгоритм и выдают ответ, а биты, кодирующие входные данные, не обмениваются информацией друг о друге. Квантовые компьютеры отличаются. Во-первых, когда данные вводятся в кубиты, кубиты взаимодействуют с другими кубитами, что позволяет производить множество различных вычислений одновременно. Вот почему квантовые компьютеры могут работать гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Но это еще не все: квантовые компьютеры не выдают только один четкий ответ, как классические компьютеры; вместо этого они выдают ряд возможных ответов.

Для вычислений, ограниченных по объему, классические компьютеры по-прежнему являются лучшими инструментами. Но для очень сложных задач квантовые компьютеры могут сэкономить время, сузив ряд возможных ответов.

Когда квантовые компьютеры будут доступны?
В последующие несколько лет основные игроки в области квантовых вычислений, а также небольшая группа энтузиастов будут неуклонно увеличивать количество кубитов, которые могут обрабатывать их компьютеры, и улучшать работу технологии. Однако ожидается, что прогресс в области квантовых вычислений останется пока медленным. Согласно опросам с руководителями технологических компаний, инвесторами и учеными в области квантовых вычислений, 72 процента считают, что к 2035 году мы увидим полностью персональный квантовый компьютер. Другие 28 процентов считают, что эта веха будет достигнута не ранее 2040 года или позже.

Но некоторые предприятия начнут извлекать выгоду из квантовых технологий задолго до этого. Сначала предприятия будут получать квантовые услуги через облако. Несколько крупных вычислительных компаний уже объявили о своих предложениях в области квантового облака.

Какие препятствия мешают развитию квантовых вычислений?
Одним из основных препятствий развития квантовых вычислений является то, что кубить изменчивы. В то время как бит в современных классических компьютерах находится в состоянии либо единицы, либо нуля, кубит может являться любой возможной комбинацией этих двух. Когда кубит изменяет свое состояние, входные данные могут быть утрачены или изменены, что снижает точность результатов. Еще одним препятствием для развития является то, что квантовый компьютер, работающий в масштабе, необходимом для достижения значительных прорывов, потребует потенциального подключения миллионов кубов. Те немногие существующие сегодня квантовые компьютеры далеки от этого числа.

Вот некоторые другие проблемы, с которыми сталкиваются технологии, которые могли бы поддерживать квантовые вычисления в масштабе:

Высокоточные двухкубитные шлюзы в масштабе. Поддержка высокой точности (т.е. точности и надежности более 99,99 процентов) необходима для отказоустойчивых квантовых компьютеров. Сделать это масштабно будет сложно.
Быстрота. Кубиты должны сохранять свое квантовое состояние, чтобы иметь возможность взаимодействовать друг с другом. Даже в определенных условиях окружающей среды они в конце концов рушатся. Для работы квантовых компьютеров в масштабе операции вентилей должны производиться очень быстро, чтобы завершить вычисления до того, как кубы разрушаются.
Многокубитная сеть. Соединение или сетевое соединение кубитов друг с другом теоретически может сделать квантовые компьютеры гораздо более мощными. Ключевой проблемой здесь является соединение кубитов между чипами или от одного физического квантового компьютера к другому.
Управление отдельными кубитами в масштабе. Управление отдельными кубитами становится все более сложным с увеличением числа кубитов.
Охлаждающая мощность и контроль окружающей среды. По мере того, как квантовые компьютеры становятся больше, требования к размеру и мощности охлаждающего оборудования становятся все дороже как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения экологии. В настоящее время питание квантового компьютера, достаточно большого подключения миллионов кубитов, непомерно дорого.
Производительность. Производство большого количества квантовых компьютеров потребует автоматизации производственных процессов. Производство некоторых квантовых компьютеров может потребовать разработки новых производственных технологий.

Как классические и квантовые компьютеры могут работать вместе?
Сначала медленно. Первоначально квантовые вычисления будут использоваться вместе с классическими вычислениями для решения многомерных задач. Один пример? Квантовые компьютеры могут сузить диапазон возможных решений финансовой или логистической проблемы, помогая компании быстрее найти лучшее решение. Такой более медленный прогресс будет нормой, пока квантовые вычисления не продвинутся достаточно, чтобы обеспечить более значительные прорывы.

Каковы некоторые потенциальные бизнес-примеры использования квантовых компьютеров?
Квантовые компьютеры имеют четыре фундаментальные возможности, которые отличают их от современных классических компьютеров:

Квантовое моделирование. Квантовые компьютеры могут моделировать сложные молекулы, что в конечном итоге может помочь сократить время разработки для химических и фармацевтических компаний. Ученые, желающие разработать новое лекарство, должны изучить структуру молекулы, чтобы понять, как она будет взаимодействовать с другими молекулами. Для современных компьютеров невозможно обеспечить точное моделирование, потому что каждый атом взаимодействует с другими атомами сложным образом. Но эксперты считают, что квантовые компьютеры достаточно мощны, чтобы в конце концов моделировать даже самые сложные молекулы в организме человека. Это открывает возможность для более быстрой разработки новых лекарств и новых преобразующих методов лечения.

Оптимизация и поиск. Каждая ветвь так или иначе полагается на оптимизацию. Где лучше всего размещать роботов на заводе? Какой кратчайший маршрут для грузовиков компании? Существует почти бесконечное количество вопросов, на которые следует ответить, чтобы оптимизировать эффективность и создание ценности. При использовании классических вычислений компании должны выполнять одно сложное вычисление за другим, что может быть трудоемким и дорогостоящим процессом, учитывая множество потенциальных переменных ситуаций. Поскольку квантовый компьютер может работать с несколькими переменными одновременно, можно использовать для быстрого сужения диапазона возможных ответов. Отсюда классические вычисления можно использовать для фокусировки на одном точном ответе.

Квантовый II. Квантовые компьютеры имеют потенциал для работы с лучшими алгоритмами, которые могли бы превратить машинное обучение в различных отраслях от автомобилестроения до фармацевтики. В частности, квантовые компьютеры могли бы ускорить появление беспилотных автомобилей. Такие компании как Ford, GM, Volkswagen и многочисленные стартапы в сфере мобильности пропускают видео- и графические данные через сложные нейронные сети. Их цель? Использовать ИИ для обучения автомобиля принимать важные решения при управлении автомобилем. Способность квантовых компьютеров выполнять несколько сложных вычислений со многими переменными одновременно позволяет быстрее обучать такие II системы.

Факторизация на обычные множители. Сегодня компании используют большие, сложные простые числа в качестве основы для своих усилий по шифрованию, цифры слишком велики для обработки классическими компьютерами. Квантовые вычисления смогут использовать алгоритмы для легкого решения этих сложных простых чисел, процесс, который называют факторизацией на простые множители. (На самом деле квантовый алгоритм, известный как алгоритм Шора, уже теоретически может это делать; просто нет достаточно мощного компьютера, чтобы его запустить.) Как только квантовые компьютеры достаточно продвинутся, понадобятся новые технологии квантового шифрования для защиты онлайн-сервисов. Ученые уже работают над квантовой криптографией, чтобы подготовиться к этой возможности. Предполагается, что квантовые компьютеры будут достаточно мощными для факторизации на простые множители до конца 2020-х годов рано.

По мере того как эти возможности развиваются в темпе квантовой вычислительной мощности, варианты использования будут умножаться.

Какие отрасли промышленности будут иметь наибольшую выгоду от квантовых вычислений?
Исследования показывают, что несколько отраслей промышленности, в частности, получат наибольшую краткосрочную выгоду от квантовых вычислений на основе обсуждаемых в предыдущем разделе вариантов использования. Стоимость, поставленная на карту для этих отраслей, может составлять триллионы долларов.

Фармацевтика. Квантовые вычисления могут произвести революцию в исследованиях и разработках молекулярных структур в биофармацевтической промышленности. Благодаря квантовым технологиям исследования и разработки лекарства могут стать менее зависимыми от проб и ошибок, а следовательно, более эффективными. (Подробнее о том, как квантовые вычисления могут повлиять на фармацевтическую промышленность.)

Химия. Квантовые вычисления могут быть использованы для улучшения конструкции катализатора, что может сэкономить на существующих производственных процессах. Инновационные катализаторы также могут позволить заменить нефтехимические продукты более устойчивым сырьем или расщепить углерод для использования CO2.

Мобильность. Квантовые вычисления могут привести к созданию экосистемы мобильности, которая будет полностью связана, интеллектуальной и экологически чистой. Изменения зависят от быстрого и плавного обмена большими объемами данных между бортовыми компьютерами и компьютерами в других местах. Квантовые компьютеры могут обрабатывать эти большие объемы данных способами, которые могут обрабатывать существующие компьютеры, что делает этот тип обмена данными реалистичным.

Автомобильная промышленность. В секторе мобильности автомобильная промышленность может извлечь выгоду из квантовых вычислений, проектирование продукции, управление цепочками поставок, производства, а также управление мобильностью и движением. К примеру, квантовые вычисления могут применяться для снижения производственных затрат за счет оптимизации сложных многоработных процессов, включая сварку, склеивание и покраску.

деньги. Варианты использования квантовых вычислений в финансах несколько дальше в будущем. Долгосрочные перспективы квантовых вычислений в финансах состоят в управлении портфелем и рисками. Одним из примеров могут быть оптимизированные квантовыми кредитными портфелями, которые фокусируются на обеспечении, чтобы позволить кредиторам улучшить свои предложения. Мы оцениваем, что к тому времени, когда отказоустойчивый квантовый компьютер станет доступным, варианты использования в финансах могут создать 622 млрд долларов стоимости.

Эти пять отраслей, вероятно, получат наибольшую выгоду от квантовых вычислений, по крайней мере, сначала. Но лидеры в каждом секторе могут и должны подготовиться к неизбежным квантовым достижениям в ближайшие годы.

Какие еще квантовые технологии существуют, кроме вычислений?
Согласно анализу, квантовые вычисления еще не получили широкого коммерческого применения через несколько лет. Другие квантовые технологии, такие как квантовая связь (QComms) и квантовое зондирование (QS), могут стать доступны гораздо раньше.

Квантовая связь позволит использовать надежные протоколы шифрования, которые могут значительно повысить безопасность конфиденциальной информации. QComms может помочь в реализации следующих функций:

Полная сохранность передачи информации меж локациями. Протоколы квантового шифрования безопаснее классических протоколов, большинство из которых, вероятно, можно будет сломать, как только квантовые компьютеры достигнут большей вычислительной мощности или смогут работать с более эффективными алгоритмами.

Расширенная мощность квантовых вычислений в двух важных типах квантовой обработки: параллельная квантовая обработка (где несколько процессоров подключены и одновременно выполняют различные вычисления по одной и той же проблеме) и слепые квантовые вычисления (где квантовые коммуникации обеспечивают доступ к удаленным, крупномасштабным квантовым компьютерам) в облаке. Оба типа обработки стали возможны благодаря запутыванию квантовых частиц. Запутывание – это когда квантовые частицы, такие как кубиты, обладают связанными свойствами, что означает, что свойствами одной частицы можно манипулировать с помощью действий, выполняемых над другой.

Квантовое зондирование позволяет проводить более точные измерения, чем когда-либо прежде, включая физические свойства, такие как температура, магнитные поля и вращения. Кроме того, после оптимизации и уменьшения размера квантовые датчики могут измерять данные, которые не могут быть получены текущими датчиками.

Как организации могут гарантировать наличие нужных им талантов в области квантовых вычислений?
Существует большой разрыв между потребностью бизнеса в квантовых вычислениях и количеством специалистов в области квантовых вычислений, доступных для удовлетворения этой потребности. Этот разрыв в навыках может поставить под угрозу потенциальное создание стоимости, которое оценивается в 1,3 триллиона долларов.

Нехватка в специалистах по-разному ощущается компаниями разных размеров. Мало инженеров, работающих в квантовой сфере, обычно произрастают из университетских исследовательских лабораторий. Крупнейшие компании могут иметь меньшую связь с кадровыми резервами.

Исследование показало, что на каждые три вакансии в области квантовой инженерии приходится всего один квалифицированный кандидат. Предполагается, что к 2025 году будет заполнено менее 50 процентов квантовых вакансий, если не произойдет существенных изменений в кадровом резерве или прогнозируемой скорости создания квантовых рабочих мест.

Квантовые компьютеры – это машины, использующие свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Это может быть очень выгодно для определенных задач, где они могут существенно превзойти даже наши лучшие суперкомпьютеры. Однако также может быть много ситуаций, когда классические компьютеры все равно будут превосходить квантовые. Поэтому компьютеры будущего могут быть комбинацией обоих этих типов. В настоящее время квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к потере кубитом своих квантовых свойств. Этот процесс, известный как квантовая декогеренция, приводит к сбою системы, и это происходит тем быстрее, чем больше частиц задействовано. Квантовым компьютерам необходимо защищать кубы от внешнего вмешательства или физически изолируя их, сохраняя их холодными, или подавая на них тщательно контролируемые импульсы энергии. Дополнительные кубиты необходимы для устранения ошибок, проникающих в систему. Вот некоторые проблемы и огромные достоинства для внедрения квантовых технологий. В будущем мы надеемся, что они все будут решены. И все же...

Как связаться с нами?