Однією з головних наукових завдань нашого часу стала гонка створення першого корисного квантового комп'ютера. У ній беруть участь тисячі фізиків та інженерів. Свої концепти розробляють IBM, Google, Alibaba, Microsoft та Intel. Як потужний обчислювальний пристрій змінить наш світ і чому це так важливо?
Уявіть на мить: повноцінний квантовий комп'ютер створено. Він став звичним та природним елементом нашого життя. Про класичні обчислення тепер говорять лише у школі, на уроках історії. Десь глибоко в холодних підвалах потужні машини оперують кубитами, щоби підтримувати роботу роботів, оснащених штучним інтелектом. Вони виконують усі небезпечні та просто монотонні справи. Прогулюючись парком, ви дивитеся на всі боки і бачите всіляких роботів. Людиноподібні істоти вигулюють собак, продають морозиво, ремонтують електропроводку, підмітають територію. Деякі моделі замінюють домашніх улюбленців.
Ми отримали можливість розкрити всі таємниці Всесвіту та заглянути всередину самих себе. Медицина вийшла на новий рівень — інноваційні лікарські препарати розробляються щотижня. Ми можемо прогнозувати та визначати, де знаходяться дефіцитні ресурси, такі як газ та нафта. Вирішено проблему глобального потепління, оптимізовано методи заощадження енергії, у містах більше немає заторів. Квантовий комп'ютер не тільки керує всіма роботизованими машинами, але й забезпечує вільний рух: стежить за ситуацією на дорогах, коригує маршрути та перехоплює керування у водіїв у разі потреби. Ось так може виглядати квантове століття.
Квантова золота лихоманка
Перспективи застосування вражають уяву, тому інвестиції у квантові розробки зростають з кожним роком. Світовий ринок квантових обчислень оцінили у 81,6 млн доларів США у 2018 році. Фахівці Market.us припускають, що до 2026 року він досягне 381,6 млн. доларів США. Тобто збільшуватиметься в середньому на 21,26% на рік з 2019 по 2026 рік.
Це зростання стимулюється зростанням використання квантової криптографії в додатках безпеки і зумовлене інвестиціями зацікавлених сторін ринку квантових обчислень. На початок цього року, за даними аналізу наукового журналу Nature, приватні інвестори профінансували щонайменше 52 компанії квантових технологій у всьому світі. Над створенням практично застосовного квантового комп'ютера б'ються такі великі гравці як IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.
Так, поки що грошові кошти, що надходять до цієї галузі щорічно, є невеликими витратами (для порівняння: у 2018 році інвестиції в ІІ склали 9,3 млрд доларів США). Але ці цифри є суттєвими для незрілої галузі, яка ще не може похвалитися показниками ефективності.
Розв'язання квантових завдань
Потрібно розуміти, що на сьогоднішній день технологія все ще перебуває у зародковому стані. Вдалося створити лише прототипи квантових машин, поодинокі експериментальні системи. Вони здатні виконувати фіксовані алгоритми невеликої складності. Перший 2-кубітний комп'ютер був створений у 1998 році, і людству знадобився 21 рік, щоб довести пристрої до належного рівня так званої «квантової переваги». Цей термін ввів у звернення професор Каліфорнійського технологічного інституту Джон Прескіл. І він означає здатність квантових пристроїв вирішувати завдання швидше за найпотужніших класичних комп'ютерів.
Прорив у цій галузі здійснила каліфорнійська компанія Google. У вересні 2019 року корпорація заявила, що їх 53-кубітний пристрій Sycamore за 200 секунд впорався з обчисленням, на виконання якого найсучасніший суперкомп'ютер пішов би 10 000 років. Заява викликала багато суперечок. IBM з такими розрахунками категорично не погодилися. У своєму блозі компанія написала, що їхній суперкомп'ютер Summit впорається з таким завданням за 2,5 дні. І все, що для цього потрібно, збільшити ємність дискового сховища. Хоча насправді різниця виявилася не такою колосальною, Google справді першою досягла «квантової переваги». І це є важливою віхою у комп'ютерних дослідженнях. Але не більше. Подвиг Sycamore має виключно демонстраційний характер. Він не має практичного застосування та марний для вирішення реальних завдань.
Основною проблемою є апаратне забезпечення. Якщо традиційні обчислювальні біти мають значення 0 чи 1, то дивному квантовому світі кубити можуть бути у обох станах одночасно. Ця властивість називається суперпозицією. Кубіти схожі на дзиги, що обертаються: обертаються одночасно і за годинниковою стрілкою, і проти, рухаються і вгору, вниз. Якщо знаходите це заплутаним, то ви у чудовій компанії. Річард Фейнман якось сказав: Якщо думаєте, що розумієте квантову механіку, значить, ви її не розумієте. Сміливі слова від людини, яка отримала Нобелівську премію за... квантову механіку.
Отже, кубити вкрай нестабільні і схильні до зовнішніх впливів. Машина, що проїжджає під вікнами лабораторії, внутрішній шум системи охолодження, космічна частка, що пролітає, — будь-яка випадкова перешкода, будь-яка взаємодія порушує їх синхронність і вони декогерують. Це згубно для обчислень.
Ключове питання для розвитку квантових обчислень полягає в тому, яке апаратне рішення з багатьох досліджених забезпечуватиме стабільність кубитів. Той, хто вирішить проблему порушення когерентності і зробить квантові комп'ютери такими ж поширеними, як графічні процесори, отримає Нобелівську премію і стане найбагатшою людиною у світі.
Шлях до комерціалізації
У 2011 році канадська компанія D-Wave Systems Inc. першою стала продавати квантові комп'ютери, хоча їхня корисність обмежена певними математичними завданнями. А найближчими місяцями мільйони розробників зможуть почати використовувати квантові процесори через хмару — IBM обіцяє надати доступ до свого 53-кубітного пристрою. Поки що в рамках програми під назвою Q Network такий привілей отримали 20 компаній. Серед них виробник техніки Samsung Electronics, автовиробники Honda Motor та Daimler, хімічні компанії JSR та Nagase, банки JPMorgan Chase & Co. та Barclays.
Більшість компаній, які сьогодні експерементують із квантовими обчисленнями, розглядають їх як невід'ємну складову майбутнього. Зараз їхня головна місія — дізнатися, що працює в квантових обчисленнях, а що ні. І бути готовими першими впровадити технологію у бізнес, коли вона буде готова.
Транспортні організації Volkswagen спільно з компанією D-Wave розробляє квантову програму - систему управління дорожнім рухом. Нова програма дасть можливість громадським транспортним організаціям та компаніям таксі у великих містах більш ефективно використовувати свій автопарк та мінімізувати час очікування пасажирів.
Енергетичний сектор. ExxonMobil та IBM просувають застосування квантових обчислень в енергетиці. Вони зосереджені на розробці низки нових енергетичних технологій, підвищенні енергоефективності та скороченні викидів парникових газів. Масштаби та складність завдань, з якими стикається енергетичний сектор, виходять за рамки сучасних традиційних комп'ютерів та добре підходять для тестування на квантових.
Фармацевтичні компанії. Accenture Labs співпрацює з 1QBit, компанією-розробником квантового програмного забезпечення. Усього за 2 місяці від дослідницької справи вони перейшли до перевірки концепції - застосування додатка з моделювання складних молекулярних взаємодій на атомних рівнях. Завдяки потужності квантових обчислень з'явилася можливість аналізувати більші молекули. Що це дасть суспільству? Інноваційні препарати із найменшими побічними ефектами.
Фінансовий сектор. Технології, засновані на принципах квантової теорії, дедалі більше цікавлять банків. Вони зацікавлені в тому, щоб якнайшвидше обробляти транзакції, угоди та інші типи даних. Свої експерименти з розробки спеціалізованого програмного забезпечення вже проводять Barclays і JP Morgan Chase (з IBM), а також NatWest (з Fujitsu).
Прийняття з боку таких великих корпорацій та поява підприємливих квантових піонерів говорять про комерційну життєздатність кванта. Ми вже бачимо як квантові обчислення застосовують для завдань реального світу — від підвищення енергоефективності до оптимізації маршрутів автотранспорту. І що важливо, цінність технології зростатиме у міру розвитку.
Джерело: habr.com