Кубити вместо битове: какво бъдеще ни подготвят квантовите компютри?

Една от основните научни задачи на нашето време е надпреварата за създаването на първия полезен квантов компютър. В нея участват хилядиphysици и инженери. Своите концепции разработват IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как това мощно изчислително устройство ще промени света ни и защо е толкова важно?

Представете си за миг: пълноценен квантов компютър е създаден. Той е станал обикновена и естествена част от живота ни. За класическите изчисления сега говорят само в училище, на уроците по история. Някъде дълбоко в студените изби мощни машини оперират кубити, за да поддържат работата на роботи, оборудвани с изкуствен интелект. Те извършват всички опасни и просто монотонни задачи. Разхождайки се в парка, поглеждате наоколо и виждате всякакви роботи. Човекоподобни същества разхождат кучета, продават сладолед, поправят електрическите инсталации, почистват територията. Някои модели заменят домашните любимци.

Получихме възможността да разкрием всичките тайни на Вселената и да погледнем навътре в самите себе си. Медицина е достигнала ново ниво – иновационни медикаменти се разработват всяка седмица. Можем да прогнозира и определяме къде се намират дефицитни ресурси, като газ и нефта. Проблемът с глобалното затопляне е решен, оптимизирани са методите за спестяване на енергия, в градовете вече няма задръствания. Квантовият компютър не само управлява всички роботизирани машини, но и осигурява свободно движение: следи ситуацията на пътищата, коригира маршрути и поема управлението от шофьорите при необходимост. Така може да изглежда квантовата ера.

Квантова златна треска

Перспективите за приложение пораждат въображението, поради което инвестициите в квантови разработки растат с всяка година. Световният пазар на квантови изчисления е оценен на 81,6 милона долара през 2018 година. Специалистите от Market.us прогнозират, че до 2026 година той ще достигне 381,6 милона долара. Тоест ще се увеличава средно с 21,26% годишно от 2019 до 2026.

Този растеж се стимулира от увеличаващото се използване на квантовата криптография в приложенията за сигурност и се дължи на инвестиции от заинтересованите страни на пазара на квантови изчисления. Към началото на тази година, според анализа на научното списание Nature, частни инвеститори са финансирали най-малко 52 компании за квантови технологии в целия свят. Големи играчи като IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel и D-Wave Systems работят усилено за създаването на практически приложим квантов компютър.

Да, засега средствата, вливащи се в тази област всяка година, представляват малки разходи (за сравнение: през 2018 г. инвестициите в ИИ са достигнали 9,3 милиарда долара). Но тези цифри са значителни за незряла индустрия, която все още не може да се похвали с показатели за ефективност.

Решаване на квантови задачи

Трябва да разберем, че към настоящия момент технологията все още е в начален етап. Успяха да създадат само прототипи на квантови машини, единични експериментални системи. Те могат да изпълняват фиксирани алгоритми с малка сложност. Първият 2-кубитен компютър беше създаден през 1998 г., и човечеството изискваше 21 години, за да доведе устройствата до необходимото ниво на т.нар. "квантово превъзходство". Този термин беше въведен в обращение от професора в Калифорнийския технологичен институт Джон Прескил. И той означава способността на квантовите устройства да решават задачи по-бързо от най-мощните класически компютри.

Пробив в тази област направи калифорнийската компания Google. През септември 2019 г. корпорацията обяви, че тяхното 53-кубитно устройство Sycamore е извършило изчисление, за което на най-съвременния суперкомпютър би отнело 10 000 години, за 200 секунди. Заявлението предизвика много спорове. В IBM категорично не се съгласиха с тези изчисления. В блога си компанията написа, че техният суперкомпютър Summit би се справил с задачата за 2,5 дни. И единственото, което е нужно, е да се увеличи капацитетът на дисковото хранилище. Макар всъщност разликата да не се оказа толкова колосална, Google наистина беше първа в достигането на „квантово превъзходство“. И това е важна веха в компютърните изследвания. Но не повече от това. Подвигът на Sycamore е изцяло демонстрационен. Той няма практическо приложение и е безполезен за решаване на реални задачи.

Основният проблем е в хардуера. Докато традиционните компютърни битове имат стойности 0 или 1, в странния квантов свят кубитите могат да бъдат в състояние и 0, и 1 едновременно. Това свойство се нарича суперпозиция. Кубитите приличат на завъртащи се волчки: въртят се едновременно и по часовниковата стрелка, и обратно, движат се нагоре и надолу. Ако това ви изглежда объркващо, значи сте в отлична компания. Ричард Фейнман веднъж каза: „Ако мислите, че разбирате квантовата механика, значи не я разбирате“. Смели думи от човек, който е получил Нобелова награда за … квантова механика.

И така, кубитите са изключително нестабилни и податливи на външни влияния. Преминаваща кола покрай лабораторията, вътрешен шум на охладителната система, преминаваща космическа частица — всяка случайна намеса, всяко взаимодействие нарушава тяхната синхронност и те декохерират. Това е катастрофално за изчисленията.

Ключовият въпрос за развитието на квантовите изчисления е какво хардуерно решение от многото проучени ще осигури стабилност на кубитите. Който реши проблема с нарушаването на когерентността и направи квантовите компютри толкова разпространени, колкото графичните процесори, ще получи Нобелова награда и ще стане най-богатият човек на света.

Пътят към комерсиализация

През 2011 г. канадската компания D-Wave Systems Inc. стана първата, която започна да продава квантови компютри, макар и ползата им да е ограничена до определени математически задачи. А в следващите месеци милиони разработчици ще могат да започнат да използват квантови процесори през облака — IBM обещава да предостави достъп до своето 53-кубитно устройство. В момента в рамките на програмата на име Q Network такава привилегия получиха 20 компании. Сред тях са производителят на техника Samsung Electronics, автомобилостроители Honda Motor и Daimler, химическите компании JSR и Nagase, банките JPMorgan Chase & Co. и Barclays.

Повечето компании, които експериментират с квантови изчисления днес, ги разглеждат като неотменима част от бъдещето. Настоящата им основна мисия е да разберат какво работи в квантовите изчисления и какво не. И да бъдат готови да внедрят технологията в бизнеса, когато тя стане готова.

Транспортни организации. Volkswagen заедно с компанията D-Wave разработва квантово приложение — система за управление на движението. Новата програма ще даде възможност на обществените транспортни организации и таксиметровите компании в големите градове да използват автопарка си по-ефективно и да минимизират времето на чакане за пътниците.

Енергийния сектор. ExxonMobil и IBM популяризират използването на квантови изчисления в енергетиката. Те се фокусират върху разработването на нови енергийни технологии, повишаване на енергийната ефективност и намаляване на емисиите на парникови газове. Масштабите и сложността на задачите, пред които е изправен енергийния сектор, надвишават възможностите на съвременните традиционни компютри и са подходящи за тестване на квантови.

Фармацевтични компании. Accenture Labs работи в партньорство с 1QBit, компания, разработваща квантов софтуер. Само за 2 месеца от изследователската работа те преминаха към тестване на концепции — приложението за моделиране на сложни молекулярни взаимодействия на атомни нива. Благодарение на мощността на квантовите изчисления, стана възможно анализирането на по-големи молекули. Какво ще донесе това на обществото? Инновационни лекарства с минимални странични ефекти.

Финансовият сектор. Технологиите, базирани на принципите на квантовата теория, привлекат все повече интерес от банките. Те се интересуват от това да обработват транзакции, сделки и други видове данни възможно най-бързо. своите експерименти по разработка на специализираен софтуер вече провеждат Barclays и JP Morgan Chase (с IBM), както и NatWest (с Fujitsu).

Приемът от страна на такива големи корпорации и появата на предприемчиви квантови пионери говорят за комерсиалната жизнеспособност на квантовите технологии. Вече виждаме как квантовите изчисления се прилагат за реални задачи - от повишаване на енергийната ефективност до оптимизация на маршрутите за транспорт. И много важно, стойността на технологията ще нараства с развитието й.

Източник: habr.com