Журнал об IT-бизнесе, технологиях и цифровой трансформации

Эволюция квантовых вычислений: от гипотез до реальных компьютеров Mail.ru Cloud Solutions
Mail.ru Cloud Solutions
  • 27 декабря
  • Тренды

Эволюция квантовых вычислений: от гипотез до реальных компьютеров

Содержание

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

Лекция: «Здесь много места внизу: приглашение в новую область физики».

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

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.

1980 год

Статья: «Вычислимое и невычислимое».

Автор: советский и американский математик Юрий Иванович Манин.

Впервые изложена идея квантовых вычислений.

1981 год

Статья: «Физическое моделирование с помощью компьютеров» (Simulating Physics with Computers).

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

Впервые предложена базовая модель квантового компьютера, способного моделировать эволюцию квантовой системы.

1998 год

Статья: «Экспериментальное выполнение быстрого квантового поиска» (Experimental Implementation of Fast Quantum Searching).

Автор: американские ученые из лаборатории IBM.

Первая экспериментальная демонстрация выполнения квантового алгоритма с использованием 2-кубитного квантового компьютера на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).

2000 год

Первый 5-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: немецкие ученые из Мюнхенского технического университета при содействии Siemens.

Первая экспериментальная демонстрация 5-кубитного квантового компьютера на базе технологии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).

2001 год

Первый работающий 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: американские ученые из Стенфордского университета.

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.

2005 год

Первый работающий 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводниках.

Авторы: группа российских ученых во главе с Ю. Пашкиным при участии тайваньского ученого Джо-Шен Цая и японских ученых из NEC.

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.

2005 год

Первый квантовый байт.

Авторы: австрийские ученые из Института экспериментальной физики при Университете Инсбрука.

Создан и описан первый квантовый 8-разрядный байт — кубайт.

2010 год

Создан «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» (МЦКТ) — Российский квантовый центр.

Директор: Алексей Акимов.

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.

2015 год

Впервые в России создан сверхпроводящий кубит.

Авторы: российские ученые из Российского квантового центра, МФТИ, Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и ИФТТ РАН.

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.

2017 год

Первый работающий квантовый 50-кубитный компьютер.

Авторы: исследователи из лаборатории IBM.

Экспериментальный квантовый компьютер IBM на 50 кубитах смог удерживать квантовое состояние в течение рекордных для индустрии квантовых вычислений 90 микросекунд.

2018 год

Квантовый процессор Google Bristlecone с рекордными 72 кубитами.

Авторы: разработчики из Google Quantum AI Lab.

72-кубитный квантовый процессор Google с «низкой вероятностью ошибок в вычислениях» может производить вычисления, принципиально невозможные для традиционных компьютеров.

2018 год

Принципиально новый кубит на сплошной сверхпроводящей нано-проволоке.

Авторы: ученые из Российского квантового центра, НИТУ «МИСиС», МФТИ, Сколтеха, Университета Лондона, Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания), Университета Карлсруэ и Института фотонных технологий (Германия).

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.

2018 год

Запуск российского проекта «Оптические системы квантовых вычислений» по разработке российских 50-кубитных квантовых компьютеров.

Авторы: МГУ им. М.В. Ломоносова, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В рамках проекта в период с 2018 по 2021 год планируется разработка 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.

2018 год

Создание «самого мощного в мире» квантового компьютера с возможностью масштабирования до 160 кубит.

Авторы: сотрудники стартапа IonQ при Университете Мэриленда (США).

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.

2019 год

Окончательная редакция дорожной карты по развитию и внедрению квантовых технологий в России до 2024 года. На развитие квантовых вычислений в России предполагается выделить 51 млрд рублей.

Авторы: Российский квантовый центр (РКЦ) и НИТУ «МИСиС»

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

2007 год

16-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводниках, «пригодный для запуска ряда коммерчески значимых приложений».

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

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.

2011 год

Начало продаж первого коммерческого квантового компьютера D-Wave One по цене $11 млн.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

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.

2012 год

Создана 1QB Information Technologies (1QBit) — первая в мире компания по выпуску ПО для квантовых вычислений.

Учредители: канадские инвесторы Эндрю Фурсман «Andrew Fursman» и Ландон Даунс (Landon Downs), инвестиции от CME Group и Royal Bank of Scotland.

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).

2013 год

Google открыла «Лабораторию квантового искусственного интеллекта» в Исследовательском центре Эймса (NASA) с 512-кубитным квантовым компьютером D-Wave Vesuvius.

Учредители: Google, NASA, D-Wave, USRA.

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.

2015 год

Преодоление 1000-кубитного барьера с выпуском квантового компьютера D-Wave 2X. Одна из систем установлена в лаборатории NASA для исследований Google в области ИИ.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

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.

2016 год

IBM Research впервые открыла публичный доступ к облачному сервису квантовых вычислений IBM Quantum Experience.

Разработка: компания IBM.

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.

2017 год

Представлен квантовый компьютер D-Wave 2000Q на базе 2048-кубитного процессора W2K и программных инструментов с открытым кодом.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

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.

2017 год

«Первая в индустрии» коммерческая квантовая платформа IBM Q.

Разработка: компания IBM.

IBM позиционирует платформу IBM Q как решение для выпуска коммерческих квантовых вычислительных систем.

2019 год

Первый коммерческий квантовый компьютер IBM Q System One для применения «в науке и бизнесе».

Разработка: британский офис Map Project Office и Universal Design Studio, производство компании Goppion для IBM.

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.

2019 год

IBM открыла публичный доступ к мощностям 53-кубитного облачного квантового компьютера — самой крупной квантовой системе в коммерческом доступе.

Разработка: компания IBM.

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.

2019 год

В России успешно протестирован прототип первого отечественного квантового компьютера на кубитах из сверхпроводников.

Разработка: НИТУ «МИСиС» и МГТУ им. Баумана.

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».

2020 год

План запуска коммерческого квантового компьютера D-Wave Next Gen на базе процессора с более чем 5000 кубитов.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

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.

2024 год

Планируется разработать четыре типа российских квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов. Стоимость проекта 24 млрд рублей.

Разработка: госкорпорация «Росатом».

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.

Ссылка скопирована!

Что еще почитать про ИТ-бизнес