Квантовые компьютеры

Бинарный салют, друзья. На связи EngineerSpock.

Квантовый компьютер: разбираемся в основах.

Квантовый компьютер Google за 6,7 сек произвел вычисления, на которые всем суперкомпьютерам Земли понадобилось бы 10 тыс. лет. Что же такого принципиально иного есть в этом квантовом агрегате, что он играючи справляется со сложнейшими задачами? Почему, несмотря на фантастическую стоимость «квантов», их капризность и ограниченность в применении, технологически успешные страны активно вкладывают миллиарды в развитие квантовых технологий, а IT-гиганты готовы платить специалистам по квантовым вычислениям фантастические бонусы? Почему, по утверждениям аналитиков, существующая квантовая гонка гораздо интенсивнее, чем космическая, и сравнима только с гонкой вооружений, от успеха которой зависит судьба страны? Давайте разбираться.

Лайкосы / Подписки / Курсы

Чем хорош квантовый компьютер

Для понимания разницы между классическим и квантовым компьютером возьмем задачу – например, нужно выяснить, у кого из 10 охотников, которые тянули жребий, короткая спичка.

Классический компьютер начнет перебирать каждого охотника и задавать вопрос – короткая у него спичка или нет. Если короткая – задача завершается, ответ найден. Если нет – перебор продолжается. При 10 циклах время на решение определяется секундами, но при увеличении числа участников оно значительно увеличивается. В данном случае линейно, так что ещё не худший случай.

Квантовый компьютер идет другим путем – он просто говорит: «У кого короткая спичка – шаг вперед!» И неважно, сколько человек или объектов нужно проанализировать – 10, 1000 или миллиард. Ответ будет найден практически мгновенно для любого количества участников расчета. Фантастика!

Еще поразительнее результаты «классиков» и «квантов» по поиску простых множителей для любого числа (задача, очень актуальная в алгоритмах шифрования). Так «классик» найдет простые множители для десятичного числа из 500 знаков за 5 миллиардов лет (миллиардов, Карл!), а квантовому для этого потребуется всего 18 сек. Впечатляет?!

Если «на пальцах» – все просто. “Квант” не теряет времени на перебор. Он как будто знает все варианты и выбирает самый вероятный. А вот как он это делает – попытаемся сейчас понять.

Квант – всему голова

Когда в 1900 году Макс Планк выдвинул гипотезу, что энергия поглощается и испускается элементарными частицами дискретно, отдельными порциями (квантами), мало кто думал, что это открытие – начало первой квантовой революции и рождение нового, революционного раздела физики.

Сейчас в результате развития квантовой физики у нас есть лазеры, компакт-диски, сотовые телефоны, МРТ, светодиоды, графен и еще многое, где применяются коллективные квантовые явления. Как ни парадоксально это может прозвучать, но именно квантовая физика дала толчок к развитию информатики, обозначила новые рубежи информационных технологий.

К 2010 году уже зародились такие направления, как интернет вещей, большие данные, машинное обучение, информационная безопасность. И они же выявили ограничения в возможностях современных компьютеров для реализации этих направлений (мы помним, что классические компьютеры работают методом перебора, который в задачах нового уровня явно не подходит). Конечно, хитрые алгоритмы зачастую позволяют избежать полного перебора, однако речь в нашем случае идёт не об алгоритмах вообще, а о гораздо более низком уровне.

Таким образом, стали востребованы машины с принципиально иным железом и принципиально иной логикой – с квантовой элементной и логической базами. Назрела необходимость перехода от коллективных свойств элементов микрокосмоса (группы атомов) к управлению индивидуальными квантовыми свойствами одного иона, фотона, атома.

Идея такого управления витала в воздухе еще с 1980 года, когда ее высказал применительно к нового рода вычислениям российский математик Юрий Манин. Примерно в это же время стала развиваться квантовая теория информации, появилась фундаментальная теорема россиянина Александра Холево, определяющая основы этой революционной теории. Кстати, в квантовой теории информации России есть чем гордиться – российские теоретики во многом опережают своих зарубежных коллег.

Но как ни обидно нам, идея собственно квантового компьютера принадлежит американцу Ричарду Фейнману. Он в 1981 году сформулировал основные принципы работы квантового компьютера и предложил его модель.

Каковы основные принципы работы квантового компьютера?

Этих принципов четыре:

суперпозиция,
запутанность,
хрупкость
запрет клонирования.

Итак, Суперпозиция

Это свойство исключительно микроскопических объектов. И оно обозначает, что объект квантовой физики может ОДНОВРЕМЕННО находиться во всех возможных для него состояниях. Как упрощенный пример – подброшенная монетка. Она в любой момент времени, пока летит, может быть повернута к земле решкой, орлом или ребром. Это состояние называется суперпозицией. И только измерение может дать ответ, в каком состоянии находится монетка в момент остановки.

Это фундаментальное отличие квантовой механики от ньютоновской, которая утверждает, что тело может находиться только в одном определенном состоянии в пространстве.

Теперь про Запутанность

В квантовом мире свойства объектов и систем очень сильно связаны, запутаны между собой. И изменение одного объекта приведет к такому же изменению другого, как бы далеко они не были друг от друга. Например, есть два фотона, которые создаются в состоянии запутанности. Если мы измерим поляризацию одного из фотонов, то сразу же узнаем значение поляризации другого фотона, даже если он находится на большом расстоянии от первого.

Это свойство квантовой запутанности экспериментально подтверждено в ходе различных экспериментов.

Очень упрощенный пример запутанности – подбрасывание нескольких монет, которые влияют на состояние друг друга.

Хрупкость и запрет клонирования

Это скорее ограничивающие и запрещающие положения. Хрупкость обозначает зависимость квантового состояния от окружающей среды. А запрет клонирования говорит, что если объект находится в состоянии суперпозиции, то его произвольное состояние нельзя скопировать. И это радикальное отличие квантовой информации от классической.

Концепция квантовых вычислений

В квантовом компьютере система битов заменяется системой кубитов (q-бит от quantum bit) , которые находятся в суперпозиции. Т.е. в отличие от бита, который может быть или в состоянии 0 или в состоянии 1, кубит ОДНОВРЕМЕННО находится во всех этих состояниях с определенной вероятностью.

Вместо обычных логических элементов работают логические квантовые вентили, которые выдают результат квантовых процессов, обработанных по специально разработанным алгоритмам (об этом – чуть позже).

Таким образом, в квантовом компьютере на вход подается не один бит информации, а все возможные комбинации, т.к. обработка происходит над всей суперпозицией, и перебор различных вариантов не нужен! Обработанное (измеренное) вентилем состояние дает ответ. Чем больше измерений, тем точнее ответ.

На «пальцах» это выглядит так.

Представьте, что нам дан лабиринт с несколькими входами и только одним выходом. Как максимально быстро найти кратчайший путь от «правильного» входа к выходу? Допустим, для наглядности, мы проверяем правильность выбранного пути, пуская в лабиринт воду.

Аналог классического компьютера зальет воду сначала в один вход, подождет результата, и так до тех пор, пока не будет найден единственно верный вход.

Квантовому компьютеру не нужно заморачиваться – он нальет воды сразу во все входы и с большой долей вероятности вычислит реальный проход. Многократно повторив эти операции, укажет действительно правильный ответ.

Если очень кратко, суть квантовых вычислений сводится к 3 действиям:

Многократно на вход подается некоторая заранее известная суперпозиция объекта .
Над ней сначала производится процедура преобразования с помощью квантовых вентилей.
Потом запускаются измерения, которые в итоге дают ответ.

Таким образом, главное, принципиальное отличие классического компьютера от квантового – обработка сразу всех состояний объекта или системы.

Но есть и еще одно важное различие. Обычный комп – цифровой, строго детерминированный. Т.е. при повторении расчетов с одними и теми же начальными условиями ответ будет аналогичным. Квантовый компьютер – аналоговый, вероятностный. Он выдает выборку из вероятностного распределения значений. Звучит непривычно, ведь мы же ждем от компьютера конкретики, которая не должна меняться при постоянстве начальных условий.

Поговорим о физике и логике квантового компьютера

Итак, что может быть использовано в качестве кубита? Прежде всего – микрообъект, подчиняющийся законам квантовой физики, способный принимать состояния суперпозиции и запутанности. У него должно быть несколько состояний, по аналогии с битом – оптимально – 2.

К таким объектам относятся:

ионы (состояния – заряды);
фотоны (поляризация);
элементарные и квазичастицы, обладающие спином (вверх или вниз);
сверхпроводящие цепочки (направление тока).

Но один кубит также бесполезен, как одинокая микросхема в обычном компьютере. Кубиты должны быть связаны (запутаны), чтобы синхронизировать изменения в их состояниях и проводить логические операции и необходимые квантовые вычисления. Такие преобразования возможны только с помощью специальных однокубитных и двухкубитных квантовых вентилей и оригинальных алгоритмов. К сожалению, стандартные алгоритмы, которые разработаны для классического компьютера, не подходят для квантовой машины. Сейчас созданы специальные алгоритмы для конкретных задач. Наиболее известные из них:

Алгоритм Шора (1994 год) — метод факторизации больших целых чисел на простые множители;
Алгоритм Гровера (1996 год) — поиск определенного элемента в неотсортированном списке данных из N элементов;
Алгоритм Дойча-Йожи (1992 год) — задача проверки сбалансированности булевой функции.

С помощью этих алгоритмов и благодаря возможности практически мгновенно делать миллионы повторных замеров можно получать точные результаты, а не гадание на кофейной гуще, как могло показаться вначале.

Возникает вопрос – так называемое квантовое превосходство – мечта или реальность?

Первый квантовый процессор на 2 кубита был представлен в 1998 году специалистами Массачусетского технологического института (MIT). Позднее разработкой таких ПК стали заниматься мировые IT-гиганты – Intel, Google, IBM.

В 2019 году Google заявляла, что добилась «квантового превосходства» над существующими классическими компьютерами. Созданная компанией квантовая машина мощностью 53 кубита за десяток секунд выполнила задачу, на которую современный суперкомпьютер затратил бы миллион лет.

В конце 2022 года IBM объявила о создании самого мощного на сегодняшний день квантового процессора мощностью в 433 кубита. Это уже серьезная заявка на решение тех задач, перед которыми пасуют обычные компьютеры:

разработка новых лекарств;
моделирование сложнейших физических, химических и биологических процессов, включая моделирование молекул ДНК и применение генной инженерии;
прогнозирование (финансовое, технологическое, погодное) на совершенно ином уровне;
оптимизационные задачи с любым объемом и структурой информации.

Возможно, что когда-нибудь именно квантовые компьютеры продвинут нас к настоящему так называемому сильному искусственному интеллекту и ознаменуют переход к эпохе технологической сингулярности, эпохе в которой человек ещё будет предстоять найти своё место в мире, ибо мы как вид станем уступать машинам практически во всём.

Национальная безопасность напрямую зависит от уровня развития квантовых вычислений. Государства, которые первыми построят многокубитный квантовый процессор, получат совершенное технологическое оружие, способное как взломать любой ключ, так и надежно защитить от прослушивания линии связи (вспомните о запрете клонирования!). Становятся понятными причины квантовой гонки и небывалые инвестиции в технологию.

В России в 2011 году создан квантовый центр, где разрабатываются и производятся квантовые процессоры. Недавно сотрудники этого центра совместно с коллегами из госкорпорации «Росатом» показали Президенту России 16-кубитную машину на ионах, обещая, что к концу 2024 года будет выпущен 100-кубитный компьютер. Российская разработка уже применяется в медицине. Она способна определять и измерять очень слабые магнитные поля, характерные для мозговой деятельности.

Уровень российских квантовых вычислений по международной шкале соответствует зрелости QTRL-4, тогда как высший уровень – QTRL-9. Ближе всех к нему подошел Китай.

Что же тормозит распространение квантовых компьютеров во всём мире?

Кроме полезных свойств квантовых объектов, у системы, которые они образуют, есть 3 существенных недостатка:

хрупкость(зависимость от внешних воздействий). Стабильность запутанных кубитов измеряется сейчас в микросекундах. Рекорд – 200 мксек;
сложность технической реализации: за столь короткое время нужно запутать кубиты, провести вычисления и получить итоговый результат;
рост ошибок, пропорциональный количеству кубитов.

Квантовые компьютеры называют иногда лампами за вертикальную структуру с многочисленными проводами охлаждения. Кубиты находятся в стабильном состоянии только при температуре, близкой к абсолютному нулю, – 273,14оС, поэтому процессор всегда находится в среде жидкого гелия. Необходимы также надежные радиационная и электромагнитная защита. Ввод и вывод данных производится с помощью обычных компьютеров, и конвертер аналогового сигнала в цифровой и обратно тоже должен находиться в стерильной от любых загрязнений зоне. Все это определяет запредельную стоимость квантовых комьютеров – миллионы долларов.

Кроме технологических, существуют проблемы и алгоритмизации. Написание специфических алгоритмов очень трудозатратно и оправдывает себя только для тех задач, где преимущества квантового компьютера очевидны. Поэтому еще долго популярные операции типа просмотра контента и серфинга в сети будут выполняться на обычных компьютерах.

В настоящее время квантовые компьютеры можно встретить только в лабораториях, которые предоставляют внешним заказчикам облачный доступ к ним. Например, час работы с квантовым сервисом Azure Quantum компании Microsoft стоит от 10 до 900 долларов.

Прогноз аналитиков о выходе первого коммерческого квантового компьютера – 2035 -2040 годы при условии достаточного финансирования. Ну что же, поживем – увидим.