Эволюция квантовых вычислений: от гипотез до реальных компьютеров
Вспомним, как развивались квантовые технологии, посмотрим, чего ученые и разработчики добились уже сейчас, а также выясним, когда квантовые компьютеры станут массово использовать на практике.
В октябре 2019 года в журнале Nature была опубликована статья исследователей компании Google, в которой говорится о достижении квантового превосходства. Квантовый компьютер компании смог за 3 минуты и 20 секунд выполнить расчет, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit (IBM) понадобилось бы 10 000 лет.
В IBM считают, что время выполнения задачи для обычного компьютера в Google сильно завысили, а с использованием оптимизации его реально снизить до нескольких дней. Но если заявленный результат близок к реальности, человечество сделало еще один шаг к недостижимой ранее скорости вычислений. Посмотрим, с чего все началось и куда движутся квантовые технологии.
Научные разработки: открытия и исследования, определяющие будущее квантовых вычислений
1959 год
Впервые теоретически обоснована возможность использования квантовых эффектов для вычислений.
«Поведение атомов не похоже ни на что крупномасштабное, ибо соответствует законам квантовой механики. Когда мы манипулируем атомами, мы работаем с иными законами, и можем ожидать иных результатов. Сделать это можно по-разному: не только схемами, но также с применением квантованных энергетических уровней, взаимодействием квантованных спинов и т. д.», —
Ричард Фейнман, физик-теоретик.
Впервые изложена идея квантовых вычислений.
Впервые предложена базовая модель квантового компьютера, способного моделировать эволюцию квантовой системы.
Первая экспериментальная демонстрация выполнения квантового алгоритма с использованием 2-кубитного квантового компьютера на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).
2000 год
Первая экспериментальная демонстрация 5-кубитного квантового компьютера на базе технологии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).
2001 год
Созданный в IBM 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер был успешно использован для исполнения алгоритма Шора.
«Теперь нам предстоит превратить квантовые вычисления в инженерную реальность. Если бы мы смогли выполнить такие расчеты в больших масштабах — скажем, тысячи кубитов, необходимых для вычисления очень больших чисел, в криптографии понадобились бы фундаментальные изменения», — Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT.
Работающий прототип первого 2-кубитного квантового процессора на сверхпроводящих материалах.
«Спустя почти три четверти века после зарождения квантовой теории, эта теория наконец-то обрела смысл, понятный широкой публике», — Джо-Шен Цай, глава лаборатории NEC Nano Electronics, руководитель лаборатории квантовых исследований в Токийском институте передовых наук.
Создан и описан первый квантовый 8-разрядный байт — кубайт.
Российская негосударственная исследовательская организация. Занимается фундаментальными и прикладными исследованиями в области квантовой физики. Разработка сверхчувствительных сенсоров, оптических микрорезонаторов, квантовых кубитов.
«Через десять лет будут созданы рабочие прототипы квантовых компьютеров, решающие задачи, которые не способен решать эффективно классический компьютер. Естественно, такой компьютер является глобальной целью, но многие интересные решения возникают по мере ее достижения… создание квантового компьютера — цель весьма амбициозная, но ею деятельность РКЦ ограничиваться совсем не будет», — Алексей Акимов, кандидат физико-математических наук, директор Российского квантового центра.
Созданные в России кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон. Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нм.
«Мы создали инструмент, средство для проведения дальнейших исследований в области квантовых вычислений. С его помощью мы сможем достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире», — Олег Астафьев, заведующий лабораторией квантовых вычислений при МФТИ, один из руководителей проекта.
Экспериментальный квантовый компьютер IBM на 50 кубитах смог удерживать квантовое состояние в течение рекордных для индустрии квантовых вычислений 90 микросекунд.
72-кубитный квантовый процессор Google с «низкой вероятностью ошибок в вычислениях» может производить вычисления, принципиально невозможные для традиционных компьютеров.
Работа кубита основана на эффекте квантового проскальзывания фазы — контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (4 нм) нано-проволоке, которая в обычном состоянии имеет большое сопротивление.
В рамках проекта в период с 2018 по 2021 год планируется разработка 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.
Работа кубитов в системе IonQ базируется на квантовой природе атомов. Каждый кубит представлен отдельным атомом, удерживаемым лазерами. Два состояния кубита являются парой уровней энергии электронов. Кубиты управляются и измеряются с помощью специальных лазерных импульсов.
«Настоящая проблема квантовых вычислений заключается в том, что мы до сих пор не знаем, какое приложение для квантовых вычислений станет «приложением-убийцей». Мы должны построить такие системы, и наконец выяснить, в каком месте они будут «резонировать»», — Кристофер Монро (Christopher Monroe), CEO и соучредитель IonQ, профессор физики в Университете Мэриленда.
Дорожная карта будет руководством к действию для российских институтов и индустрии до 2024 года. Мероприятия должны привести к появлению в России нескольких десятков стартапов в области квантовых технологий, на равных конкурирующих с компаниями из США, Евросоюза и Китая. При реализации описанных в карте мероприятий российские компании к 2024 году должны занять 8% мирового рынка квантовых коммуникаций с фокусом на экспорт в страны СНГ, БРИКС, Юго-восточной Азии и Латинской Америки.
«Конечная цель дорожной карты — обеспечить суверенитет нашей страны в той технологической среде, которая еще только формируется. Через 15-20 лет сверхмощные квантовые компьютеры, сверхточные квантовые сенсоры и абсолютно защищенные квантовые каналы связи могут стать главными катализаторами развития соответствующих отраслей. И мы хотим, чтобы Россия играла на этом поле на равных с лидирующими в этой области странами», — Руслан Юнусов, генеральный директор РКЦ.
Коммерциализация: квантовые системы для практического применения в науке и бизнесе
На практике квантовые системы D-Wave, работающие на принципе «квантового отжига», способны решать лишь ограниченный подкласс задач оптимизации и не подходит для работы с традиционными квантовыми алгоритмами.
«Если они могут контролировать 16 бит, это действительно потрясающе», — Эндрю Стейн (Andrew Steane), физик, Университет Оксфорда, Великобритания.
Система с 128-кубитным процессором Rainier на принципе «квантового отжига» способна решать только задачи дискретной оптимизации (например, анализ генома, варианты сворачивания белков). Один из первых покупателей — Lockheed Martin.
ПО 1QBit позволяет решать реальные прикладные задачи с помощью квантовых компьютеров на сверхпроводниках с применением принципа «квантового отжига» (D-Wave Two).
«Существенные проблемы не могут быть решены на том же уровне мышления, с которым их создали», — Альберт Эйнштейн (Albert Einstein).
Лаборатория занимается решением задач машинного обучения и создания алгоритмов искусственного интеллекта с навыками самообучения.
«Мы уже разработали ряд алгоритмов квантового машинного обучения. Мы также выяснили некоторые полезные принципы: лучшие результаты достигаются не «чистыми» квантовыми вычислениями, а после смешивания квантовых и классических вычислений», — Хартмут Невен (Hartmut Neven), технический директор Google Quantum Artificial Intelligence Lab.
В Google подтвердили строение квантового «1000-кубитного» компьютера D-Wave на базе кластеров по 8 кубитов каждый.
«Несмотря на сравнимые асимптотические характеристики квантовой модели Монте-Карло, машина D-Wave позволила добиться быстродействия в 100 млн раз больше по сравнению с обычным компьютером», — Скотт Ааронсон (Scott Aaronson), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук, МТИ.
Открытый доступ к экспериментам с квантовыми вычислениями на квантовом процессоре IBM Q через облачный сервис IBM Cloud.
«Квантовые компьютеры разительно отличаются от современных ПК не только своим видом, но, что более важно, тем, что они могут делать. Предоставляя доступ к экспериментальным квантовым системам, IBM Quantum Experience облегчит исследователям и научному сообществу ускорение инноваций в квантовой области и поможет обнаружить новые приложения для этой технологии», — Арвинд Кришна (Arvind Krishna), старший вице-президент и директор IBM Research.
Список покупателей квантового компьютера D-Wave 2000Q включает Temporal Defense Systems, Google и NASA. Репозиторий программных инструментов D-Wave с открытым кодом позволяет писать ПО для квантовых вычислений.
IBM позиционирует платформу IBM Q как решение для выпуска коммерческих квантовых вычислительных систем.
Гибридная архитектура IBM Q System One на базе 20-кубитного квантового компьютера в сочетании с классическим ПК в едином корпусе. По данным IBM, система полностью готова для исследовательских и бизнес-приложений.
«IBM Q System One — важный шаг в направлении коммерциализации квантовых вычислений. Эта система имеет решающее значение для выхода квантовых вычислений из стен лаборатории, ведь мы работаем над созданием практических квантовых приложений для бизнеса и науки», — Арвинд Кришна (Arvind Krishna), старший вице-президент Hybrid Cloud и директор IBM Research.
Всего в Центре квантовых вычислений IBM работают 14 облачных квантовых систем, включая пять 20-кубитных. Мощности рассчитаны на обслуживание более 150 тыс. пользователей и порядка 80 институтов, исследовательских лабораторий и коммерческих клиентов, включая J.P. Morgan Chase, Mitsubishi Chemical и Mizuho Financial Group.
Кубиты в прототипе российского квантового компьютера выполнены из алюминия, «потерять» их невозможно за счет большего по сравнению с кубитами на отдельных атомах размеров — 300 микрон. В отличие от кубитов на ионах, алюминиевые российские кубиты можно выстраивать нелинейно.
«Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причем с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», — Илья Беседин, инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», НИТУ «МИСиС».
Новое поколение квантовых компьютеров D-Wave с топологией Pegasus, где каждый кубит связан с 15 другими кубитами. Топология Chimera в современных системах D-Wave обеспечивает связь кубита с шестью другими кубитами.
«Ценность квантовых вычислений определяется возможностью запуска приложений заказчика. Платформа следующего поколения позволит нам инвестировать в такие вещи как интерфейсы, гибридное ПО и инструменты программирования, чтобы дать клиентам возможность решать еще более сложные масштабные задачи, воплощая в жизнь новые появляющиеся квантовые приложения», — Алан Баратц (Alan Baratz), директор по продуктам D-Wave.
Квантовые процессоры будут производиться в России с нуля, но отдельные комплектующие могут покупаться за рубежом, например лазеры или измерительная техника. Для компьютера планируется разработать облачную платформу с удаленным доступом — по примеру мировых корпораций.
«Окупаемость — не главное для такого проекта, ведь на основе этой технологии могут быть созданы серийные квантовые компьютеры», — Константин Трушкин, представитель МЦСТ (разработчик вычислительных комплексов «Эльбрус»).
Когда квантовые компьютеры будут применять массово: прогнозы в области квантовых вычислений
В 2022-2024 году
Джеффри Уэлсер (Jeffrey Welser), вице-президент IBM и глава исследовательского подразделения IBM Research в Альмадене, США, в июле 2019 года заявил, что «в ближайшие три-пять лет появятся квантовые компьютеры, достаточно мощные для коммерческого применения в химической промышленности для разработки новых полимерных материалов и полупроводников.
В 2023 году
Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), вице-президент Microsoft по квантовым вычислениям, заявил в 2018 году, что в ближайшие пять лет появится большое количество стартапов и консалтинговых компаний, которые помогут бизнесу в решении их проблем с помощью квантовых вычислений. Прикладной квантовый компьютер появится и у платформы Azure.
В 2030-х годах
Прогноз Deloitte (TMT Predictions 2019): первые коммерческие квантовые компьютеры общего назначения появятся не ранее 2030-х годов. 2020-е годы с большой вероятностью будут временем прогресса в области квантовых вычислений, но 2030-е годы являются наиболее вероятным десятилетием появления развитого рынка квантовых компьютеров.
Никогда
М. И. Дьяконов, российский физик. Считает, что практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне
и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, поэтому нельзя создать квантовый компьютер, который превзойдет обычный.
