Квантовый компьютер вычислит и “вспомнит все” в будущем

Словосочетания “квантовый компьютер”, “квантовые вычисления”, “квантовый интернет” изо дня в день мелькают в заголовках новостей. Таинственные вычислительные устройства будущего станут альтернативой нынешним, которые работают на пределе возможностей и едва сдерживают нарастающий поток “больших данных”.

Ученые всего мира ставят смелые эксперименты, пытаясь создать сверхбыструю вычислительную машину. При этом умудряются втиснуть в  процессор, размером меньше кристалла соли, несколько сотен тысяч транзисторов.

Узнать подробнее

Разработчики представляют первые прототипы. Бизнесмены ломают голову над тем, как на этом заработать. На теме компьютера будущего активно пиарятся политики. Квантовая гонка набирает обороты.

Попробуем разобраться с “компьютерным” трендом. Проникнем в тайну “непослушных” квантов, раскроем загадку квантовых вычислений, окинем взглядом перспективные компании и группы разработчиков, чтобы обозначить “точки входа” для инвесторов.

Суперпозиция, “непослушные” частицы и особые алгоритмы

Кванты и фотоны

Идею создать вычислительное устройство, которое работает по законам  квантовой механики, в 1980-1981 годах впервые подали советский математик Юрий Манин и американский физик Ричард Фейнман. Последний апеллировал к работам Альберта Эйнштейна и Макса Планка, которые утверждали, что внутри атома частицы пребывают в “подвешенном”, запутанном и неопределимом виде (квантовая запутанность). Фейнман доказывал: раз материя имеет квантовую природу, то и составить ее атомную модель способен лишь компьютер, построенный на технологии квантов. И, действительно, в сложных биосистемах число квантовых состояний так велико, что обычный процессор смоделировать их не может.

Как поясняют физики, все дело в принципе работы. Бит, единица хранения информации в классическом компьютере принимает значение “0” или “1”. Кубит, квантовый бит, находится одновременно там и там. Это объединение называют суперпозицией. В таком состоянии компьютер ускоряется в сотни раз, выполняя миллионы операций за считанные секунды. Одна беда – удержать “непослушные” кванты в суперпозиции не очень просто. При малейшем изменении внешних условий нужное состояние нарушается, данные искажаются или теряются. Проблема коррекции ошибок остается актуальной и ныне.

Узнать подробнее

В 1989 году британский физик Дэвид Дойч разработал концепцию квантового процессора, а спустя 6 лет – универсальный логический блок для вычислений. Для проведения последних, как оказалось, вполне хватает двух основных квантовых операций, с помощью которых легко повторить функции элементов традиционного компьютера. Первая, алгоритм Гровера, представляет собой разложение чисел на простые множители, вторая, алгоритм Шора, – поиск информации в базах данных.

В погоне за квантовым превосходством

Квантовое превосходство

В конце ХХ века от квантовой теории перешли к практике: сразу несколько разработчиков представили квантовые компьютеры на 1 кубит. В 2000 году ученые Мюнхенского технического университета разработали 5-кубитное устройство.

Год спустя свой 7-кубитный образец начала тестировать команда IBM. Еще 15 лет исследователи провели в лабораториях, укрощая “строптивые” кванты. За это время они успели спроектировать 3 вида устройств.

  • Квантовый симулятор. Устройство создают для физического эксперимента, когда нужно изучить квантовую систему. Например, можно смоделировать кубиты, чтобы протестировать алгоритмы для вычислений.
  • Квантовый вычислитель (адиабатический компьютер). Устройство производит вычисления способом, который может ускорить квантовая система (аналоговый подход). Адиабатические компьютеры используют нейтральные атомы, фотоны или спины частиц.
  • Квантовые компьютеры на основе модели “квантового вентиля” (квантовый логический элемент). Устройства Google, IBM и многих других разработчиков способны формировать квантовую схему или сеть, которая напоминает обычную цифровую. Нужные для нее изменения в квантовой системе задают операции, которые выполняются последовательно. На этом строится модель расчетов с “квантовыми вентилями”.  

Для создания кубитов ученые изобрели 4 основные технологии.

Процессоры со спиновыми кубитами

Спиновые устройства по своим техническим решениям напоминают чипы в обычных компьютерах.

chip-quantum

#1 Университеты США и Нидерландов

В 2012 году разработчики из Делфтского технического университета, Южно-Калифорнийского университета, университета штата Айова и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили прототип 2-кубитного квантового компьютера. Суперпозицию удерживали импульсами микроволнового излучения. Благодаря этому устройство работало при комнатной температуре. Роль кубитов выполняли направления спина электрона и ядра азота. Спин – внутренняя степень свободы частицы.

#2 Intel и QuTech

Американский tech-гигант Intel планирует применять технологию полупроводниковых спиновых кубитов. Основой для них станут 300-миллиметровые кремниевые пластины. Причина проста – спиновые кубиты очень похожи на обычные транзисторы. Роль последних в классических микросхемах выполняют кристаллы кремния. Поэтому новая технология не потребует больших затрат на внедрение.

В феврале 2018 года голландская компания QuTech в сотрудничестве с Intel представила 2-кубитное устройство на кремниевом чипе. Квантовый компьютер отличается простотой и работает при комнатной температуре.

#3 Rigetti

В марте 2016 года американский стартап Rigetti Computing Inc. из Калифорнии привлек 64 млн долларов для разработки облачного сервиса квантовых вычислений. Основатель и генеральный директор компании Чад Ригетти заявил, что его команда создала 3-кубитный прототип квантовой микросхемы из алюминиевых цепей, установленных на кремниевой пластине. По последним данным, исследователи масштабировали технологию до 19 кубитов.

#4 SQC и CEA

Австралийская государственная компания Silicon Quantum Computing (SQC) и французский научно-исследовательский институт Комиссариат по атомной и альтернативным видам энергии (CEA) учредят совместное предприятие. Вместе они будут разрабатывать технологию квантовых вычислений на кремниевых полупроводниках CMOS.

Узнать подробнее

Фотонные чипы

фотонный компьютер

Изобретатели фотонных устройств умудрились “приручить” и заставить работать на человека самые быстрые частицы.

#1 Университет Мэриленда

В марте 2018 года американские физики из университета Мэриленда изобрели “запчасть” для квантового компьютера – фотонную микросхему. Роль транзисторов в ней играют кристаллы с треугольными отверстиями, которые передают информацию через частицы света, фотоны. В 2017-ом эта же команда создала модель (симулятор) 53-кубитного квантового компьютера на ионах в оптической ловушке.

Узнать подробнее  

#2 NTT

В 2017 году японская компания Nippon Telegraph and Telephone Company (NTT) разработала квантовую систему на основе фотонов. В качестве вычислительных узлов выступают зеркала, оптические блоки для сдвига фаз и расщепления лучей. Система работает при комнатной температуре и  потребляет столько же электроэнергии, сколько настольный компьютер. Доступ к ней разработчики сделали публичным.

#3 Xanadu

Технологию использования фотонов применяет и канадская компания Xanadu. Она  разрабатывает и интегрирует квантовые кремниевые фотонные (по сути, гибридные) чипы в существующую вычислительную технику. Недавно к команде стартапа присоединился легендарный “программист Вселенной”, пионер отрасли квантовых вычислений, американский профессор Сет Ллойд.

Узнать подробнее

#4 КФУ и ККЦ

Физики Казанского федерального университета (КФУ) и Казанского квантового центра (ККЦ) изобрели оптическую квантовую память на фотонном эхе. Они заставили компьютер будущего “помнить все” при работе в микроволновом диапазоне. По эффективности прототип КФУ и ККЦ превзошел все мировые аналоги.

Узнать подробнее

Установки со сверхпроводящими элементами

сверхпроводящие кубиты

Сверхпроводники – самая распространенная технология, которая объединила большинство разработчиков.

#1 IBM

Пионер отрасли, американская компания IBM в ноябре 2017 года показала прототип 50-кубитного процессора на сверхпроводящих элементах. Компьютер занимает целую комнату в швейцарской лаборатории (на главном фото). Под металлическим кожухом размещена установка, высотой почти 3 метра, с дорогостоящей и энергозатратной системой охлаждения до сверхнизких температур (условие для поддержания сверхпроводимости). Основой для чипа служит кремний. Всей системой управляет обычный компьютер, поскольку квантовый может производить вычисления очень недолго (до 100 микросекунд) и не в силах сохранить их результаты.   

В мае 2016-го компания сделала доступной через облачный сервис свое первое коммерческое 5-кубитное квантовое устройство IBM Q. За первые 1,5 года опробовать его возможности смогли более 60 тысяч человек. Они провели 1,7 млн экспериментов. Позже разработчики открыли доступ к 16- и 20-кубитным компьютерам. Платную подписку на услугу оформили 300 школ, 300 исследовательских центров и 1500 университетов мира.

Компания формирует всемирную квантовую экосистему. В рамках проекта IBM Q она строит коммерческую сеть квантовых вычислений Q Network, где будут доступны 5 устройств. Партнерами программы стали компании JPMorgan Chase, Daimler AG, Samsung и другие. Для коммерциализации технологии создали консорциум исследователей IBM Research Frontiers Institute.

#2 Intel

В январе 2018 года tech-гигант Intel устроил презентацию квантового чипа Tangle Lake на 49 кубитах. Группа озер на Аляске, которым он обязан таким названием, ассоциируется у его разработчиков с низкими температурами и квантовой “запутанностью”. Все логично, ведь контуры из сверхпроводящего металла нуждаются в охлаждении до абсолютного нуля.

В прототипе его создатели улучшили код коррекции ошибок, в сравнении с предыдущим образцом. Они также применили технологию flip chip, чтобы ускорить прохождение сигналов и уменьшить помехи (квантовый шум).

Чтобы избежать ошибок и оптимизировать программное обеспечение, некоторые исследователи используют специальные симуляторы, например, 26-кубитный Quantum Virtual Machine американского стартапа Rigetti Computing. Во всем мире пользуется популярностью разработка французских ученых – Atos Quantum Learning Machine. С ее помощью удалось впервые смоделировать 40 кубитов и пресловутый квантовый шум.

Узнать подробнее

#3 Google

В марте 2018 года в лидеры квантовой гонки вышел американский tech-гигант Google. Известный физик Джон Мартинис разработал для него компактный 72-кубитный процессор Bristlecone (“Остистая сосна”). Чип снабжен технологией коррекции ошибок (их доля – 0,6%).

Впрочем, инженеры компании признали, что этого недостаточно для достижения “квантового превосходства”. Поэтому они адресуют свое детище исследователям, которые могут использовать его как тестовый стенд. Неслучайно Google разрешил специалистам германского автоконцерна Daimler применять его квантовые компьютеры для развития мобильности.

Узнать подробнее

#4 Microsoft Research

Увы, пока корпорация Билла Гейтса плетется в хвосте квантовой гонки. Ее дочерняя компания Microsoft Research еще только приблизилась к созданию квантового суперкомпьютера на фермионе Майораны. Команда исследователей в Делфтском техническом университете (Нидерланды) смогла синтезировать неуловимую частицу-античастицу, которая сочетает свойства полупроводника и сверхпроводника. Авторы научного прорыва почему-то уверены, что кубиты на основе фермиона не будут зависеть от внешних условий, хотя для экспериментов создавали идеальные (сверхнизкая температура и мощное магнитное поле).

Узнать подробнее

#5 Группа ученых из Германии, России и Великобритании

Сверхпроводниковый кубит из нанопроволоки смастерили исследователи Института фотонных технологий и Университета Карлсруэ (Германия), НИТУ “Московский институт стали и сплавов” (МИСиС), Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ) и Сколковского института науки и технологий (Россия), Национальной физической лаборатории в Теддингтоне и Университета Лондона (Великобритания). Эксперты говорят, что изобретение поможет сделать квантовые компьютеры доступными по цене.

Узнать подробнее

#6 Alibaba Group и Китайская академия наук

В марте 2018 года Alibaba Cloud, подразделение Alibaba Group и Китайская академия наук (CAS) через облачный сервис открыли доступ к 11-кубитному квантовому компьютеру на сверхпроводниках. В июле 2015-го те же участники совместно создали первую лабораторию квантовых вычислений в Азии. Спустя 2 года ее сотрудники участвовали в разработке первого в мире фотонного квантового компьютера.

#7 D-Wave Systems

D-Wave

Канадская компания D-Wave Systems с 2007 года производит адиабатические квантовые компьютеры на сверхпроводящих кубитах. В 2011-ом она первой коммерциализировала технологию, продав свое 16-кубитное изобретение. В течение следующих 7 лет на рынке появились устройства большей мощности (до 2048 кубитов) по цене 10-15 млн долларов. Среди покупателей – NASA,  Google, Lockheed Martin и даже Лос-Аламосская национальная лаборатория Министерства энергетики США.

Вначале эксперты сомневались, что “черные ящики”-шкафы с надписью  D-Wave используют квантовые эффекты. Тем более, что кубиты в них оказались собраны в кластеры по 8 штук, как детали какого-нибудь арифмометра, табулятора или механического компьютера. Однако такой аналоговый подход к построению и масштабированию увеличил скорость устройства в 100 млн раз (!) при решении очень узкой задачи.

Речь идет о комбинаторной оптимизации, то есть “задаче коммивояжера”, когда нужно из множества вариантов выбрать оптимальный маршрут с остановками в указанных городах и возвратом в исходный. Решение помогает найти свойство квантовой системы оптимизироваться (перераспределять энергию между кубитами).

Недаром скептики критикуют адиабатические компьютеры за узкую направленность. По их мнению, в отличие от цифровых и гибридных аналогов тут процессоры не перебирают варианты и что-то просчитывают, а просто подчиняются законам квантовой механики. Именно за эту “механичность” их и сравнивают с аналоговыми вычислительными машинами.

Устройства на нейтральных ультрахолодных атомах

компьютер на ультрахолодных атомах

Компьютеры на ультрахолодных атомах – молодое направление. Некоторые эксперты считают его достаточно перспективным.

#1 Группа Лукина из Гарварда

Профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин в июле 2017 года объявил о том, что его команда создала 51-кубитный квантовый компьютер. Как оказалось, речь идет об адиабатическом устройстве, которое по принципам работы ближе к аналоговым начала ХХ века. Это отличает его от цифровых вычислительных машин современности.

Кубиты в компьютере Лукина построены на нейтральных ультрахолодных атомах или “атомах Ридберга”. Чтобы их получить, частицы рубидия-87 или других щелочных металлов охлаждают до абсолютного нуля и обстреливают лазерами. Атомы при этом увеличиваются в миллион раз и попадают в оптические ловушки. Группа Лукина научилась управлять ими с помощью лазера, чтобы превратить в кубиты для адиабатического компьютера. Результаты вычислений на нем и на классическом совпали. Лукин называет свое детище квантовым симулятором, который способен решать ограниченный круг задач, в отличие от универсального компьютера.

Инвесторы на распутье. Мы на пороге прорыва?

Универсальный квантовый компьютер, способный сделать прорыв в вычислительной отрасли, пока остается целью на будущее и заветной мечтой многих разработчиков. Действующие прототипы могут решать лишь узкие задачи. Коммерциализация квантовых вычислений превратилась в глобальную проблему. Из-за этого у многих инвесторов “компьютер будущего” стал ассоциироваться с головной болью и депрессией. Но так ли все запутано? Может, мы на пороге прорыва?

Эксперты, несмотря ни на что, отвечают: да, на пороге. Больше того, говорят, что через несколько лет квантовые компьютеры плотно войдут в нашу жизнь. Это сейчас рынок сложных вычислений оценивают в 10 млрд долларов. Но уже в ближайшие десятилетия квантовые устройства помогут увеличить его в 5-20 раз. Такой прогноз в середине мая 2018 года дали аналитики американской консалтинговой фирмы Boston Consulting Group (BCG).

По мнению старшего партнера BCG Массимо Руссо, в следующие 25 лет компании будут использовать квантовые машины раннего поколения для решения практических задач.

«Сейчас мы находимся в точке, эквивалентной стадии раннего развития двоичных вычислительных устройств, когда механические компьютеры, вакуумные трубки и полупроводники соперничали за превосходство. Но квантовые вычисления быстро переходят из исследовательских лабораторий в реальные приложения. В следующем десятилетии они могут стать существенной статьей дохода для компаний», – уверен Руссо.

Среди отраслей, в которых квантовые компьютеры найдут применение, эксперты называют такие.

#1 Химия и фармацевтика

Квантовые процессоры могут моделировать очень сложные взаимодействия между молекулами намного быстрее и эффективнее, чем традиционные компьютеры. Вот почему компьютерами будущего серьезно заинтересовались фармацевтические и химические компании.

Недавно созданный алгоритм Variational quantum enginesolver позволил на 6-кубитном устройстве IBM создать модель самых сложных молекул – гидрида лития и гидрида бериллия. Схема такая: процессор “настраивают”, чтобы он имитировал свойства нужных веществ.

В апреле 2018 года американский стартап Zapata Computing привлек 5,4 млн долларов инвестиций на разработку квантового софта для химической и фармацевтической отраслей. Применить квантовое моделирование для синтеза новых материалов и медицинских препаратов планируют Google, разработчики из России и других стран. Аналитики BCG оценивают потенциал этого рынка в США в 15-30 млрд долларов.

#2 Медицина

Квантовые процессоры хорошо “распутывают” структуру ДНК и моделируют процессы, которые происходят в сложных биосистемах. Поэтому медики обсуждают возможность их использования для диагностики заболеваний на ранних стадиях. Основа для этого есть – во многих клиниках успешно внедряют биорезонансное (электромагнитное) компьютерное диагностирование организма и методы квантовой терапии.

#3 Транспорт и логистика

Как мы помним, адиабатические компьютеры лучше всего справляются с проблемами оптимизации. Германский автоконцерн Volkswagen задействовал квантовый вычислитель D-Wave, чтобы оптимизировать маршруты такси в Пекине. Компьютер решил “задачу коммивояжера” для тысяч автомобилей и разблокировал центр китайской столицы от транспортных заторов. Американская корпорация Lockheed Martin Corporation не первый год применяет квантовые устройства для улучшения движения авиалайнеров и логистики аэропортов.

#4 Финансы

Того самого прорыва с нетерпением ждут финансисты и трейдеры, которые пытаются предсказать колебания рынка с помощью математических инструментов. Неслучайно таких людей называют квантами. По мнению последних, компьютеры будущего позволят выявлять новые стратегии для трейдинга, вести расчеты рисковых моделей и стоимости торговых инструментов в реальном времени.

Специальное программное обеспечение для этого совместно с финансовыми гигантами JPMorgan и Barclays создает IBM. Коммерческий программный пакет для для такого рода квантовых вычислений готовит стартап QC Ware из Калифорнии (США). Разработкой квантового софта для управления активами занимаются инвестиционная компания Nomura Holdings и Университет Тохоку (Япония).

#5 Машинное обучение

Эксперты предсказывают квантовую революцию в машинном обучении. Французский исследователь Поль Лаверн уверен, что компьютеры будущего заставят нейросети очень быстро обрабатывать большие данные. Знаменитый американский футуролог, “человек-прогноз” Рэй Курцвейл рассказал, к чему это приведет: к 2029 году вычислительные устройства станут мыслить как люди.

Узнать подробнее

Но даже сейчас компьютеры учатся видеть и рисовать подобно человеку. Правда, пока получаются у них лишь сюрреалистичные картины.

Узнать подробнее

#6 Криптография и защита данных

квантовая криптография

Квантовые компьютеры быстро подбирают пароли и коды, одновременно генерируя множество комбинаций. Под угрозой оказались все системы безопасности, банковские и другие сети. Поэтому сейчас в США и других странах на базе блокчейна создают постквантовые криптографические модели. Некоторые разработчики занимаются созданием квантового софта для защиты данных. Недаром американская компания в сфере кибербезопасности Temporal Defence Systems приобрела один из мощных квантовых компьютеров.

#7 Квантовые сети и Интернет

Пока разработки в области передачи данных между квантовыми компьютерами находятся на экспериментальном уровне. Китай, который лидирует в отрасли, построил первую волоконно-оптическую линию квантовой связи Пекин-Шанхай протяженностью 2 тысячи километров. В России затеяли “стройку века” – национальную квантовую сеть проложат на обочинах дорог (длина – 150 тысяч).

Узнать подробнее

Правда, параллельно китайцы в 2016 году начали реализовать идею спутникового квантового Интернета. Они запустили первый квантовый спутник, который отправляет и получает информацию с помощью инфракрасного излучения. Создателям удалось использовать свойство запутанных квантов передавать импульс на огромные расстояния. К 2030 году они надеются покрыть квантовым Интернетом несколько стран.

Резюме. Квантовый компьютер еще какое-то время будет компьютером будущего. Несмотря на успехи разработчиков и презентации первых прототипов, до появления универсального еще очень далеко. Пользоваться нынешними громоздкими устройствами не всегда удобно. Процент ошибок, которые они допускают, еще недопустимо высок. Можно предположить, что квантовая гонка будет продолжаться достаточно долго, пока долгожданная супермашина не станет настольной.  

И все же правительства и крупные компании многих стран продолжают вкладывать в тренд миллионы долларов. Все понимают, что польза, которую принесут эти деньги, будет неоценимой. Мгновенное решение сложнейших задач, идеальное шифрование, альтернативный Интернет, проникновение в тайны природы, открытие новых лекарств – возможности компьютера будущего потрясают.

Все это будоражит воображение инвесторов. Многие из них понимают, что вложения в квантовую отрасль могут окупиться очень нескоро, в пределах 20 лет. Поэтому сейчас самые смелые венчурные капиталисты делают ставку на стартапы, которые создают компоненты будущего устройства или софт для него. При этом они хорошо понимают, что не все команды дойдут к финишу квантовой гонки и станут новой Microsoft.

“Сейчас не самое подходящее время, чтобы пойти на все, чтобы вложить в это десятки миллионов долларов. Но это достаточно захватывающе. Все развивается очень хорошо. Мы думаем, что находимся на пороге прорыва, выхода из чистой науки”, – так описал нынешнее состояние отрасли глава квантовой сети IBM Q Network Энтони Аннунциата.

Значит, у тех, кто сомневается, вкладывать ли в кванты или подождать, еще есть время. Главное – понимать, что будущее компьютеров не просто стоит за порогом. Оно уже стучит в двери …

Подготовил Станислав Клопот


Расскажите об этом друзьям



Хотите узнать о будущем больше?

Узнайте где деньги будут завтра!

Как современные технологии изменят бизнес? От чего стоит отказываться уже сейчас? Какие бизнес-идеи будут востребованы через 5, 10 и 15 лет? Какие отрасли останутся выгодными и актуальными, а какие умрут?

Заглянуть в будущее