Зачем нужны квантовые компьютеры
В середине XX века началась информационная революция: мы стали работать с кремниевыми транзисторами и поняли, как создавать мощные масштабируемые компьютеры. В этот момент один из основателей компании Intel Гордон Мур, сформулировал эмпирическую закономерность. Сегодня она известна как закон Мура.
Мур говорил, что каждые 18 или 24 месяца количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается. Во многом это происходит за счёт миниатюризации и того, что технологические процессы совершенствуются. Каждые условные два года можно делать транзисторы меньше и упаковывать их плотнее.
Часто закономерность трактуют так: если продолжать тренд Мура, то к 2020 году транзистор должен был стать размером с атом. Это физически невозможно, поэтому нам нужны другие компьютеры, например квантовые. На самом деле эта логика не совсем точная: закон Мура будет работать, но не за счёт миниатюризации, а благодаря новым подходам, например использованию параллельных вычислений.
За все годы исследования мы нашли примеры задач, которые не могут решить традиционные компьютеры и суперкомпьютеры:
- Моделирование природы, прежде всего квантовой — химические реакции, лекарства, аккумуляторы, материалы. Внутри этих процессов нужно описывать сложные квантовые системы с большим количеством частиц, которые взаимодействуют между собой.
- Машинное обучение и квантовые нейронные сети. Уже сегодня многие модели и алгоритмы требуют серьёзных вычислительных ресурсов, поэтому их обучение стоит дорого.
- Оптимизация поиска пути: логистика, финансы и составление расписаний — то, где количество возможных вариантов экспоненциально растёт с увеличением размерности.
- Факторизация на простые числа: криптоанализ алгоритмов с открытым ключом. Для таких задач не придумали эффективных классических алгоритмов.
Каждая из этих категорий востребована экономикой и бизнесом. Поэтому квантовые компьютеры нужны для ускорения решения таких задач, а не из-за транзистора размером с атом.
Как появились квантовые компьютеры
Физиков всегда интересовал вопрос, какие фундаментальные ограничения физические законы накладывают на эффективность компьютеров. Одно из них — предел Ландауэра, минимальное количество теплоты, которое возникает при удалении одного бита. Люди думали, как его обойти, и это помогло понять, накладывают ли новые физические теории ограничения на возможности вычислений.
Во второй половине XX века развивалась квантовая физика, и учёный Чарльз Беннетт написал статью по термодинамике вычислений. Он выступал с докладом по этой теме, а после подошёл к Ричарду Фейнману, одному из самых известных физиков XX века. Беннет спросил, накладывает ли квантовая физика какие-то ограничения на возможности вычислений.
Фейнман задумался над вопросом и понял, что ограничений, кроме размерных, нет. Значит, можно строить компьютеры, основанные на квантово-механических принципах. Так возникла знаменитая работа «Квантово-механический компьютер».
Чуть раньше возникла идея советского математика Юрия Манина о том, что если кодировать информацию в квантовый регистр, то получается экспоненциальный рост пространства состояний. Возникла новая парадигма, в которой можно использовать свойства отдельных квантовых систем для решения вычислительных задач и создавать сложные квантовые состояния.
Идеи Фейманна и Манина навели людей на мысли, что микроскопические квантовые системы могут быть основой для компьютеров.
Вычислительные ресурсы квантовой физики
Есть два важных свойства:
- Квантовая суперпозиция — возможность квантовой системы быть одновременно в разных состояниях. То есть если классическая монета может быть орлом или решкой, то квантовая — и тем и другим.
- Квантовая запутанность — проявления очень сильной взаимосвязи между квантовыми системами, после которых их невозможно рассматривать отдельно друг от друга. Если квантовая система двух монеток запутана, то описывать состояние одной можно только как часть другой.
Свойства дают возможность создавать квантовые биты (кубиты) в суперпозиции и запутывать их между собой. Это даёт ресурсы для описания квантовых систем, с помощью которых можно решать сложные задачи.
Универсальные модели для работы квантовых компьютеров
Эти модели могут преобразовывать любые квантовые состояния. Универсальных моделей много, но для иллюстрации возможностей квантового компьютера понадобятся две самые распространенные.
Цифровая вентильная (гейтовая) модель. С её помощью приготавливают квантовое состояние, а затем совершают определённую последовательность логических операций. В конце получается новое квантовое состояние, которое можно считать и получить ответ на алгоритмический вопрос. Для увеличения вычислительных ресурсов гейтовой модели нужен большой размер квантового регистра и высокая точность квантовых операций.
Адиабатическая модель. Аналоговый подход к квантовым вычислениям, когда приготовленное квантовое состояние — наименьшее энергетическое состояние некоторой конфигурации. Эту конфигурацию плавно меняют, и квантовая механика гарантирует: если состояние было низшим, оно таким и останется. То есть можно менять ландшафт, в котором находится квантовая система.
Какие квантовые компьютеры существуют
Сейчас ведётся параллельная разработка квантовых компьютеров на различных физических принципах:
- Сверхпроводниковые кубиты — цепочки, которые охлаждены до очень низкой температуры. За счёт этого каждая цепочка находится в квантовом состоянии сверхпроводимости. В него можно кодировать, например, сверхпроводящий информацию ток, реализовать кубиты и управлять ими при помощи классической электроники.
- Атомные кубиты. Исследователи берут нейтральные атомы и ловят их в специальные оптические потенциалы. В каждый пойманный атом можно кодировать информацию при помощи лазера, заставлять их взаимодействовать и реализовывать квантовые алгоритмы.
- Ионные и фотонные кубиты —- заряженные атомы.
Развивается несколько физических платформ, потому что для построения квантового компьютера нужно много кубитов и высокий уровень контроля. Человечеству нужна платформа, которая бы сочетала в себе и масштабируемость, и управляемость. Именно поэтому сейчас квантовые технологии — направление для инвестиций государств, компаний и фондов. Например, в России с 2020 года действуют дорожные карты по развитию квантовых вычислений. Объём инвестиций — 23,7 млрд рублей.
В каком состоянии квантовые компьютеры сегодня
Мы находимся в эре NISQ (Noisy intermediate-scale quantum era) — шумной квантовой эре промежуточного масштаба. Устройства характеризуются такими особенностями:
- Количество кубитов в NISQ-устройствах ограничено 50–300 кубитами.
- Кубиты и операции над ними работают с ошибками, эффект ошибок очень значительный. В такой системе доступно 20–30 «слоёв» операций. Коррекции ошибок нет.
- NISQ-устройства способны демонстрировать квантовое преимущество над классическими суперкомпьютерами в тестовых задачах, которые связаны с семплированием квантовых состояний и соответствующих им распределений вероятности.
Примеры задач для NISQ-устройств и проекты команды спикера смотрите в видео.
Первые пилотные проекты NISQ-устройств
Сейчас квантовые компьютеры лучше решают абстрактные, а не экономически востребованные задачи. Но бизнес интересуется, как такие устройства можно применять. Существуют более 50 проектов сотрудничества крупных компаний с разработчиками квантовых вычислительных технологий. Особенно высокий потенциал у квантовых компьютеров в сферах квантовой химии, фармакологии, оптимизации и машинного обучения.
Например, Volkswagen использует квантовый компьютер, чтобы решать химические задачи для создания нового поколения аккумуляторов для электромобилей. А Российский квантовый центр совместно с Росатомом работает над сложными вычислительными задачами из области оптимизации, решение которых можно ускорить с помощью квантового компьютера.
Квантовые компьютеры уже прошли большой путь. Нам удалось создать квантовые процессоры малого масштаба на 2–10 кубитов и перейти в эпоху NISQ-устройств, которые уже могут соревноваться с самыми мощными классическими суперкомпьютерами в решении тестовых задач. Следующий большой горизонт — устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры. А чтобы перейти в эту эпоху, нужны новые научные идеи.