Адной з галоўных навуковых задач нашага часу стала гонка за стварэнне першага карыснага квантавага камп'ютара. У ёй удзельнічаюць тысячы фізікаў і інжынераў. Свае канцэпты распрацоўваюць IBM, Google, Alibaba, Microsoft і Intel. Як магутная вылічальная прылада зменіць наш свет, і чаму гэта так важна?
Уявіце на імгненне: паўнавартасны квантавы кампутар створаны. Ён стаў звыклым і натуральным элементам нашага жыцця. Пра класічныя вылічэнні зараз гавораць толькі ў школе, на ўроках гісторыі. Дзесьці глыбока ў лядоўнях скляпах магутныя машыны аперуюць кубітамі, каб падтрымліваць працу робатаў, абсталяваных штучным інтэлектам. Яны выконваюць усе небяспечныя і проста манатонныя справы. Шпацыруючы па парку, вы гледзіце па баках і бачыце разнастайных робатаў. Чалавекападобныя істоты выгульваюць сабак, прадаюць марозіва, рамантуюць электраправодку, падмятаюць тэрыторыю. Некаторыя мадэлі замяняюць хатніх улюбёнцаў.
Мы атрымалі магчымасць раскрыць усе таямніцы Сусвету і зазірнуць унутр саміх сябе. Медыцына выйшла на новых узровень - інавацыйныя лекавыя прэпараты распрацоўваюцца кожны тыдзень. Мы можам прагназаваць і вызначаць, дзе знаходзяцца дэфіцытныя рэсурсы, такія як газ і нафту. Вырашана праблема глабальнага пацяплення, аптымізаваны метады зберажэння энергія, у гарадах больш няма пробак. Квантавы кампутар не толькі кіруе ўсімі рабатызаваных машынамі, але і забяспечвае вольны рух: сочыць за сітуацыяй на дарогах, карэктуе маршруты і перахапляе кіраванне ў кіроўцаў у выпадку неабходнасці. Вось так можа выглядаць квантавае стагоддзе.
Квантавая залатая ліхаманка
Перспектывы прымянення дзівяць уяўленне, таму інвестыцыі ў квантавыя распрацоўкі растуць з кожным годам. Сусветны рынак квантавых вылічэнняў ацанілі ў 81,6 млн долараў ЗША ў 2018 годзе. Спецыялісты Market.us мяркуюць, што да 2026 года ён дасягне 381,6 даляраў ЗША. Гэта значыць будзе павялічвацца ў сярэднім на 21,26, 2019% у год з 2026 па XNUMX.
Гэты рост стымулюецца расце выкарыстаннем квантавай крыптаграфіі ў дадатках бяспекі і абумоўлены інвестыцыямі зацікаўленых бакоў рынку квантавых вылічэнняў. Да пачатку гэтага года, па дадзеных аналізу навуковага часопіса Nature, прыватныя інвестары прафінансавалі сама меней 52 кампаніі па квантавых тэхналогіях ва ўсім свеце. Над стварэннем практычна дастасавальнага квантавага кампутара б'юцца такія буйныя гульцы, як IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.
Так, пакуль грашовыя сродкі, якія паступаюць у гэтую вобласць штогод, уяўляюць сабой невялікія выдаткі (для параўнання: у 2018 годзе інвестыцыі ў ІІ склалі 9,3 млрд долараў ЗША). Але гэтыя лічбы істотныя для няспелай галіны, якая яшчэ не можа пахваліцца паказчыкамі эфектыўнасці.
Рашэнне квантавых задач
Трэба разумець, што на сённяшні дзень тэхналогія ўсё яшчэ знаходзіцца ў зачаткавым стане. Удалося стварыць толькі прататыпы квантавых машын, адзінкавыя эксперыментальныя сістэмы. Яны здольныя выконваць фіксаваныя алгарытмы невялікай складанасці. Першы 2-кубітны кампутар быў створаны ў 1998 году, і чалавецтву запатрабаваўся 21 год, каб давесці прылады да належнага ўзроўня, так званай, "квантавай перавагі". Гэты тэрмін увёў у зварот прафесар Каліфарнійскага тэхналагічнага інстытута Джон Прэскіл. І ён азначае здольнасць квантавых прылад вырашаць задачы хутчэй самых магутных класічных кампутараў.
Прарыў у гэтай галіне здзейсніла каліфарнійская кампанія Google. У верасні 2019 года карпарацыя заявіла, што іх 53-кубітная прылада Sycamore за 200 секунд зладзілася з вылічэннем, на выкананне якога ў самага сучаснага суперкампутара сышло бы 10 000 гадоў. Заява выклікала шмат спрэчак. У IBM з такімі разлікамі катэгарычна не пагадзіліся. У сваім блогу кампанія напісала, што іх суперкампутар Summit справіцца з такой задачай за 2,5 дні. І ўсё, што для гэтага трэба, - павялічыць ёмістасць дыскавага сховішча. Хоць на справе розніца аказалася не такой каласальнай, Google сапраўды першай дасягнула «квантавай перавагі». І гэта з'яўляецца важнай вяхой у кампутарных даследаваннях. Але не больш за тое. Подзвіг Sycamore носіць выключна дэманстрацыйны характар. Ён не мае практычнага прымянення і бескарысны для вырашэння рэальных задач.
Асноўнай праблемай з'яўляецца апаратнае забеспячэнне. Калі традыцыйныя вылічальныя біты маюць значэнне 0 ці 1, то ў дзіўным квантавым свеце кубіты могуць знаходзіцца ў абодвух станах адначасова. Гэтая ўласцівасць называецца суперпазіцыяй. Кубиты падобныя на якія круцяцца туркоў: круцяцца адначасова і па гадзіннікавай стрэлцы, і супраць, рухаюцца і ўверх, уніз. Калі знаходзіце гэта заблытаным, тыя вы ў выдатнай кампаніі. Рычард Фейнман неяк сказаў: "Калі думаеце, што разумееце квантавую механіку, значыць, вы яе не разумееце". Смелыя словы ад чалавека, які атрымаў Нобелеўскую прэмію за… квантавую механіку.
Такім чынам, кубіты вельмі нестабільныя і схільныя вонкавым уздзеянням. Якая праязджае пад вокнамі лабараторыі машына, унутраны шум сістэмы астуджэння, якая пралятае касмічная часціца - любая выпадковая перашкода, любое ўзаемадзеянне парушае іх сінхроннасць і яны дэкагеруюць. Гэта згубна для вылічэнняў.
Ключавое пытанне для развіцця квантавых вылічэнняў складаецца ў тым, якое апаратнае рашэнне са мноства даследаваных будзе забяспечваць стабільнасць кубітаў. Той, хто вырашыць праблему парушэння кагерэнтнасці і зробіць квантавыя кампутары такімі ж распаўсюджанымі, як графічныя працэсары, атрымае Нобелеўскую прэмію і стане самым багатым чалавекам на свеце.
Шлях да камерцыялізацыі
У 2011 годзе канадская кампанія D-Wave Systems Inc. першай стала прадаваць квантавыя кампутары, хоць іх карыснасць абмежавана пэўнымі матэматычнымі задачамі. А ў бліжэйшыя месяцы мільёны распрацоўшчыкаў змогуць пачаць выкарыстоўваць квантавыя працэсары праз воблака – IBM абяцае даць доступ да сваёй 53-кубітнай прыладзе. Пакуль у рамках праграмы пад назвай Q Network такі прывілей атрымалі 20 кампаній. Сярод іх вытворца тэхнікі Samsung Electronics, аўтавытворцы Honda Motor і Daimler, хімічныя кампаніі JSR і Nagase, слоікі JPMorgan Chase & Co. і Barclays.
Большасць кампаній, якія эксперыментуюць сёння з квантавымі вылічэннямі, разглядаюць іх як неад'емны складнік будучыні. Цяпер іх галоўная місія - даведацца, што працуе ў квантавых вылічэннях, а што не. І быць гатовымі першымі ўкараніць тэхналогію ў бізнес, калі яна будзе гатова.
Транспартныя арганізацыі. Volkswagen сумесна з кампаніяй D-Wave распрацоўвае квантавае дадатак – сістэму кіравання дарожным рухам. Новая праграма дасць магчымасць грамадскім транспартным арганізацыям і кампаніям таксі ў буйных гарадах больш эфектыўна выкарыстоўваць свой аўтапарк і мінімізаваць час чакання пасажыраў.
Энергетычны сектар. ExxonMobil і IBM прасоўваюць ужыванне квантавых вылічэнняў у энергетыцы. Яны сканцэнтраваны на распрацоўцы шэрага новых энергетычных тэхналогій, павышэнні энергаэфектыўнасці і скарачэнні выкідаў парніковых газаў. Маштабы і складанасць задач, з якімі сутыкаецца энергетычны сектар, выходзяць за рамкі сучасных традыцыйных кампутараў і добра падыходзяць для тэсціравання на квантавых.
Фармацэўтычныя кампаніі. Accenture Labs супрацоўнічае з 1QBit, кампаніяй-распрацоўшчыкам квантавага праграмнага забеспячэння. Усяго за 2 месяцы ад даследчай справы яны перайшлі да праверкі канцэпцыі - прымяненню дадатку па мадэляванні складаных малекулярных узаемадзеянняў на атамных узроўнях. Дзякуючы магутнасці квантавых вылічэнняў з'явілася магчымасць аналізаваць буйнейшыя малекулы. Што гэта дасць грамадству? Інавацыйныя прэпараты з найменшымі пабочнымі эфектамі.
Фінансавы сектар. Тэхналогіі, заснаваныя на прынцыпах квантавай тэорыі, усё больш прыцягваюць цікавасць банкаў. Яны зацікаўлены ў тым, каб як мага хутчэй апрацоўваць транзакцыі, здзелкі і іншыя тыпы даных. Свае эксперыменты па распрацоўцы спецыялізаванага праграмнага забеспячэння ўжо вядуць Barclays і JP Morgan Chase (з IBM), а таксама NatWest (з Fujitsu).
Прыняцце з боку такіх буйных карпарацый і з'яўленне прадпрымальных квантавых піянераў кажуць аб камерцыйнай жыццяздольнасці кванта. Мы ўжо бачым, як квантавыя вылічэнні ўжываюць для задач рэальнага свету - ад павышэння энергаэфектыўнасці да аптымізацыі маршрутаў аўтатранспарту. І, што важна, каштоўнасць тэхналогіі будзе расці па меры развіцця.
Крыніца: habr.com