Сможет ли квантовый компьютер заменить обычный

Конструкция, которую принято считать на данный момент квантовым компьютером, напоминает огромную люстру. Она состоит из медных трубок и проводов. Внутри ядра компьютера находится сверхпроводящий чип, на котором в шахматном порядке располагаются кубиты – мелкие конденсаторы из сверхкрепкого ниобия. Между ними – регулируемые стяжки из антенн, что реагируют на микроволны.

Низкая температура квантового компьютера поддерживается специальными рефрижераторами со сжиженным гелием. По соединениям радиочастотные сигналы поступают в процессор. Затем они преобразуются в кубиты для выполнения той или иной программы. Провода подведены таким образом, чтобы предотвратить воздействие посторонних шумов, в том числе и тепла, на квантовый процессор, размещенный внизу.

Крупные компании, такие как Google и IBM, делают квантовые компьютеры на сверхпроводниках. А IonQ – на ионных ловушках, удерживающих изолированные ионы иттербия в магнитном поле.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов (Quantum bits) или кубитов. Они подчиняются законам квантового мира. Работают они не совсем как обычные биты. Они могут находиться в состоянии 1 и 0 одновременно. Это состояние принято называть «суперпозиция».

Благодаря этому они создают одновременно несколько «Вселенных», выдавая огромное количество вариантов для решения задачи. Правильный вариант помогают вычислить специальные математические операторы.

Обычный процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать ток, находясь в состоянии 1 или 0, но никак не одновременно. Для решения определенных задач, он проходит через множество вариаций сочетания этих цифр, на что может потребоваться длительное время.

Чтобы рассчитать полную волновую функцию молекулы лекарственного препарата у современного суперкомпьютера уйдет количество времени, приравниваемое к возрасту нашей Вселенной. В то время как квантовый компьютер сможет вычислить эту информацию за считанные дни. Квантовые компьютеры работают, используя те же квантовые свойства, что и молекулы, которые они пытаются моделировать. Это дает надежду на то, что они смогут просчитать даже самые сложные задачи.

Вычислительный процесс представляет собой общесистемный переход, переводя заданный набор данных в новое состояние, которое и считается решением. Минимальное количество логических кубитов для квантового компьютера – 49. Для более сложных задач, таких как моделирование, необходимо около 150 логических кубитов.

Прежде чем получить действительно полезный квантовый компьютер, ученым, изобретателям и программистам придется пройти еще несколько этапов эволюции.

• Первый этап

Разработчики находятся на этапе написания алгоритмов и решают текущие физические проблемы: нормализация температуры компьютера, создание оптимальных звукоизолированных условий. Также физические кубиты пока что обладают ограниченной емкостью.

• Второй этап

Квантовые компьютеры появятся в облаке. Это позволит организациям получить новый опыт использования технологий, находясь где угодно. Для многих это может стать удобной и более доступной альтернативой установке физического квантового компьютера. Появятся новые элементы системы, которые позволят оптимизировать симуляции и моделирование.

• Третий этап

Ожидается, что эра третьего поколения придет к 2035 году. Квантовые программы станут еще более «умными» и смогут охватить больше отраслей. Предполагается, что к сложной симуляции и моделированию добавится еще машинное обучение.

Тестировать квантовые компьютеры начали с 2001 года. Тогда и появился первый 7-кубитный квантовый компьютер от IBM.

В 2005 году был построен 2-кубитный квантовый процессор группой японских специалистов под руководством кандидата физико-математических наук Ю.Пашкина.

В 2009 году в США впервые удалось собрать программированный компьютер, который состоял все так же из 2 кубитов.

В 2012 году компания IBM заявила о возможности создания компьютеров на основе сверхпроводящих кубитов, соединенных с кремниевыми микросхемами. В этом же году несколько групп исследовательских институтов заявили о том, что им удалось построить квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями.

В июле 2017 года группа российских физиков создала 51-кубитный квантовый симулятор. В этом же году в Америке был создан 53-кубитный симулятор на основе ионов и оптической ловушки. Также и ученые IBM создали прототип процессора на 50 кубит.

В 2018 году компания Intel создала квантовую микросхему с 49 кубитами и взяла курс на создание устройств на сверхпроводниках и кремниевых микросхемах со спиновыми кубитами. Также компания Google создала 72-кубитный квантовый процессор, который, как они заявляют, имеет низкую вероятность ошибок в вычислениях.

Президент компании Intel Гордон Мур определил, что каждые два года количество вычислительных элементов в процессорах увеличивается вдвое. Это наблюдение было названо законом Мура. В 2019 году в Google сообщили, что несмотря на то, что новый квантовый процессор содержит всего 53 кубита, им удалось достичь «квантового превосходства».

В 2020 году сотрудники Научно-технического университета Китая заявили о создании квантового компьютера, в основе которого лежали кубиты, базирующиеся на фотонах. И по их словам, он также смог достичь «квантового превосходства».

В 2021 году IBM снова представили новый процессор с 127 кубитами.

Прогнозируется, что квантовые компьютеры с 1000 кубитов станут доступны в 2023 году.

IBM предлагает уже сейчас испробовать возможности квантового компьютера в своем облаке.

На данный момент существует два подхода в создании квантовых компьютеров:

Универсальный квантовый компьютер и адиабатический (или отжигающий) квантовый компьютер. Созданием вторых активно занимается канадская компания D-Wave Systems. Как они заявляют, их компьютеры действительно достигают существенного «квантового ускорения». Их клиентами уже стали Google, NASA и прочие.

• Финансовые услуги

Квантовый компьютер дает новые возможности для спектра финансовых услуг. Технологии помогут создать сложные рыночные симуляции намного быстрее. Также будет возможно продумать множество вариантов ценообразования, просчитать возможные риски за считанные минуты и выдать релевантное решение.

• Разработка лекарств

Компьютер сможет моделировать взаимодействие белков и химических веществ на молекулярном уровне. Это означает, что медицина сможет развиваться еще быстрее. Это поможет в улучшении существующих лекарств и в создании совершенно новых. Благодаря этому сокращается время и количество денежных затрат на тестирование множества гипотез. Появится возможность моделировать совершенно новые искусственные материалы и химические реакции.

• Логистика

Квантовые расчеты улучшат качество логистики, которое ранее контролировалось обычными компьютерами. Система сможет оптимизировать эффективность цепочек поставок, логистических и транспортных систем, учитывая при этом факторы погоды, ДТП, состояния дороги в реальном времени.

Строительство новых объектов будет происходить значительно быстрее. Сложные манипуляции, выполняемые при помощи квантовых вычислений, учтут множество факторов одновременно и выдадут оптимальный вариант.

• Прогноз погоды

Прогнозы станут более точными. Неточности, которые допускаются нынешней вычислительной техникой, будут устранены. Анализ, проводимый квантовыми компьютерами, будет способен собрать данные и провести анализ всех факторов. Делая это быстрее и эффективнее.

И даже поможет найти ошибку в программном коде и не тратить на это бесконечное количество времени. «Квантовые компьютеры предлагают новый набор инструментов для понимания Вселенной», – говорят в IBM.

Квантовые компьютеры находятся на пороге активного развития. Но изобретатели борются с рядом проблем, которые замедляют их развитие.

Чтобы такой компьютер эффективно работал, его необходимо ввести в определенные условия. Например, температура хранения должна быть не более -270°C. Это достижимо только в условиях системы охлаждения с жидким гелием.

Даже случайный шум может вызывать декогерентность в квантовых системах, что приводит к потере данных. Совершенно другие алгоритмы программирования, которые требуют дополнительных навыков. А специалистов в этой сфере пока что не так уж и много.

На данный момент не принято решение о том, станет ли квантовый компьютер доступен для обычных пользователей. Возможно, будут изобретены специальные гибридные системы. Если учитывать то, что имеем на данный момент, квантовый компьютер для домашнего использования бесполезен.

Даже если опустить тот факт, что необходима крайне низкая температура для входа кубита в суперпозицию, есть еще и проблема, связанная с возникновением помех. Чтобы квантовый компьютер работал, нужно чтобы в доме не было ни одного электрического прибора.

Вероятнее всего квантовые компьютеры будут использоваться для бизнеса. На данный момент уже есть несколько примеров, в которых известные компании применили квантовые возможности.

Компания Volkswagen в 2019 году использовала технологию для оптимизации дорожного движения в Лиссабоне во время крупнейшей IT-конференции. Компьютер участвовал в оптимизации дорожного движения в самых важных точках города. Они построили индивидуальный маршрут для каждого из автобусов и давали рекомендации по навигации с помощью приложения.

Компания и дальше планирует использовать квантовые компьютеры. Это поможет избежать пробок, сократить время в пути. Также планируется создать систему, которая будет отправлять информацию о транспортных средствах в режиме реального времени, предоставлять информацию о доступных станциях электрозарядки и парковочных местах.

Компания Biogen совместно с Accenture и 1QBit разработали приложение, которое ускорит выход на рынок потенциальных методов лечения рассеянного склероза, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Квантовые технологии анализируют молекулярные совпадения и пытаются предсказать положительное воздействие лекарств при уменьшении их побочных эффектов.

Hyundai и американский стартап IonQ планируют использовать квантовые компьютеры для повышения эффективности новых аккумуляторов в электрокарах.

Фото: Freepik.com