Кубити вместо битове: какво бъдеще ни подготвят квантовите компютри?

Една от основните научни задачи на нашето време е стремежът към създаване на първия полезен квантов компютър. В него участват хиляди физици и инженери. Своите концепции разработват IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как мощното изчислително устройство ще промени нашия свят и защо е толкова важно?

Представете си за миг: напълно функциониращ квантов компютър е създаден. Той е станал обичаен и естествен елемент от нашия живот. За класическите изчисления сега говорят само в училище, на уроците по история. Някъде дълбоко в студените мазета мощни машини оперират с кубити, за да поддържат работата на роботи, оборудвани с изкуствен интелект. Те извършват всички опасни и просто монотонни задачи. Разхождайки се из парка, вие се оглеждате и виждате всякакви роботи. Хуманоидни същества извеждат кучета, продават сладолед, ремонтират електрически проводници, метат територията. Някои модели заменят домашните любимци.

Получихме възможността да разкрием всички тайни на Вселената и да надзърнем в самите себе си. Медицина достигна ново ниво — иновационни лекарства се разработват всяка седмица. Можем да прогнозираме и определяме къде се намират дефицитни ресурси, като газ и нефт. 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 маршрутите и поема контрола от шофьорите в случай на необходимост. Така може да изглежда квантовата ера.

Квантова златна треска

Перспективите за приложение впечатляват и затова инвестициите в квантови разработки нарастват с всяка изминала година. Световният пазар на квантови изчисления беше оценен на 81,6 милиона долара САЩ през 2018 година. Специалисти от Market.us предвиждат, че до 2026 година той ще достигне 381,6 милиона долара САЩ. Тоест, ще нараства средно с 21,26% годишно от 2019 до 2026.

Този растеж се дължи на нарастващото използване на квантова криптография в приложения за сигурност и е обусловен от инвестиции на заинтересовани страни на пазара на квантови изчисления. Към началото на тази година според анализа на научното списание Nature частни инвеститори са финансирали поне 52 компании за квантови технологии по целия свят. За разработването на практически приложими квантови компютри се борят крупни играчи като IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel и D-Wave Systems.

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

Решаване на квантови проблеми

Трябва да разберем, че технологията все още е в начален етап. Успяха да създадат само прототипи на квантови машини, единични експериментални системи. Те са способни да изпълняват фиксирани алгоритми с малка сложност. Първият 2-кубитен компютър беше създаден през 1998 г. и на човечеството му бяха нужни 21 години, за да доведе устройствата до необходимото ниво, така нареченото "квантово превъзходство". Този термин въведе в обиход професор от 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 компанията Google от Калифорния. През септември 2019 г. корпорацията заяви, че тяхното 53-кубитно устройство Sycamore е завършило изчисление, за което на най-съвременния суперкомпютър би му отнело 10 000 години, за 200 секунди. Заявлението предизвика много спорове. В IBM категорично не се съгласиха с тези изчисления. В своя блог компанията написа, че техният суперкомпютър Summit би могъл да се справи с такова предизвикателство за 2.5 дни. И всичко, което е нужно, е да се увеличи капацитетът на дисковото хранилище. Въпреки че разликата не се оказа толкова колосална в действителност, Google наистина за първи път достигна „квантово превъзходство“. И това е важна веха в компютърните изследвания. Но не повече от това. Постижението на Sycamore е изключително демонстративно. То няма практическо приложение и е безполезно за решаване на реални задачи.

Основният проблем е хардуерът. Докато традиционните изчислителни битове имат стойност 0 или 1, в странния квантов свят кубитите могат да бъдат едновременно в двете състояния. Това свойство се нарича суперпозиция. Кубитите приличат на въртящи се топчета: въртят се едновременно и по часовниковата стрелка, и против, движат се нагоре, надолу. Ако ви се струва объркващо, вие не сте сами. Ричард Фейнман веднъж каза: „Ако мислите, че разбирате квантовата механика, значи не я разбирате.“ Смели думи от човек, получил Нобелова награда за ... квантова механика.

И така, кубитите са изключително нестабилни и подложени на външни въздействия. Минаващият под прозорците на лабораторията автомобил, вътрешният шум на охладителната система, преминаваща космическа частица — всяко случайно смущение, всяко взаимодействие нарушава тяхната синхронност и води до декохерентност. Това е пагубно за изчисленията.

Ключовият въпрос за развитието на квантовите изчисления е кое хардуерно решение от многобройните проучвани ще осигури стабилност на кубитите. Този, 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, въпреки че тяхната полезност е ограничена до определени математически задачи. В следващите месеци милиони разработчици ще могат да започнат да използват квантови процесори чрез облака — IBM обещава да предостави достъп до своето 53-кубитово устройство. В момента, в рамките на програмата Q Network, такава привилегия е получила 20 компании. Между тях са производителят на техника Samsung Electronics, автомобилостроителите Honda Motor и Daimler, химическите компании JSR и Nagase, както и банките JPMorgan Chase & Co. и Barclays.

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

Транспортни организации. Volkswagen заедно с компанията D-Wave разработват квантово приложение — система за управление на движението. Новата програма ще позволи на обществените транспортни организации и таксиметровите компании в големите градове да използват своя автопарк по-ефективно и да минимизират времето на изчакване на пътниците.

Енергийният 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. Обхватът и сложността на задачите, пред които е изправен енергийният сектор, надхвърлят възможностите на съвременните традиционни компютри и са подходящи за тестване на квантови изчисления.

Фармацевтични компании. Accenture Labs си сътрудничи с 1QBit, компания, разработваща квантов софтуер. Само за 2 месеца от изследователска работа те преминаха към проверка на концепцията — прилагане на приложение за моделиране на сложни молекуларни взаимодействия на атомно ниво. Благодарение на мощността на квантовите изчисления, се появи възможност за анализ на по-големи молекули. Какво ще донесе това на обществото? Иновационни медикаменти с минимални странични ефекти.

Финансовият сектор. Технологиите, основани на принципите на квантовата теория, все повече привлекат вниманието на банките. Те се интересуват от това да обработват транзакции, сделки и други типове данни възможно най-бързо. Своите експерименти за разработване 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 търговската жизнеспособност на квантовите технологии. Вече виждаме как се използват квантовите изчисления за решения в реалния свят — от повишаване на енергийната ефективност до оптимизация на маршрутите на автомобилния транспорт. И, важно е, стойността на технологията ще расте с развитието й.

Източник: habr.com