Что, если… мы построим квантовые компьютеры? Кванты в магазине

История квантовых компьютеров начинается в 1981 году с Ричарда Фейнмана (1), возможно, самого известного физика своего времени. На конференции по физике и вычислениям в Массачусетском технологическом институте Фейнман задал вопрос — можем ли мы смоделировать физику на компьютере?

Ответ был – не совсем. Точнее – не всю физику. Тот, который изучает явления в масштабе отдельных атомов и частиц. Если мы попробуем моделировать квантовую механику на традиционном компьютере мы сталкиваемся с фундаментальной проблемой. Полное описание квантовой физики имеет так много переменных, что мы не можем отследить их все с помощью обычной машины. У компьютеров никогда не будет столько памяти.

Фейнман он пошел еще дальше. Он спросил, если мы не можем смоделировать квантовую физику на компьютере, может быть, мы сможем построить квантово-механический компьютер, который будет лучше, чем обычные компьютеры? Ему удалось вдохновить группу людей подумать, как он мог бы выглядеть. квантовый компьютер и что он сможет сделать?

Проблема пропускной способности больше не актуальна (теоретически)

W квантовые компьютеры вместо битов как наименьшей единицы информации, которая у нас есть. Подобно двум битовым состояниям, кубиты также представляют только два состояния, но могут быть установлены с использованием любого физического свойства атома, такого как спин частицы, магнитное поле или горизонтальная/вертикальная поляризация. Кроме того, состояния не обязательно должны быть только включенными или выключенными. Они также могут извлечь выгоду из суперпозиции, квантового свойства, которое позволяет частице находиться в любой комбинации или пропорции этих состояний. Подобно коту Шредингера, частица может находиться в любом состоянии, но при проверке и наблюдении она будет только в одном состоянии. В отсутствие наблюдения частица может быть частично поляризована как вертикально, так и горизонтально. Но когда мы это проверим, частица покажет только одно из этих состояний.

Суперпозиция означает, что количество потенциальных комбинаций увеличивается экспоненциально. В обычных компьютерах 4 бита составляют 16 возможных комбинаций, но одновременно можно использовать только одну из них. Напротив, четыре кубита могут хранить все 16 этих значений одновременно. Проблема ограниченных возможностей больше не актуальна.

Обычный компьютер обрабатывает информацию, кодируя ее в форме 0 и 1. Если у нас есть последовательность из тридцати 0 и 1, она имеет около миллиарда возможных значений. Однако классический компьютер может одновременно находиться только в одном из этих миллиардов состояний. Квантовый компьютер может находиться в квантовой комбинации всех этих состояний, известной как суперпозиция. Это позволяет одновременно выполнять миллиард или более версий расчета.

Еще одно удивительное свойство, которое они могут демонстрировать kubity, представляет собой квантовую запутанность, в которой два кубита связаны и реагируют на состояния другого, независимо от того, насколько далеко они могут быть друг от друга в физическом мире. Используя это свойство, мы можем измерить один кубит и в то же время узнать свойства запутанного с ним кубита.

Квантовый параллелизм он используется для одновременного выполнения большого количества вычислений, а квантовая интерференция используется для объединения их результатов в нечто, что одновременно значимо и может быть.

Самая большая проблема создание крупномасштабного квантового компьютера. Это можно сделать несколькими способами. Наилучшие результаты до сих пор были достигнуты с ионными ловушками. Вы можете закодировать 0 для самого низкого энергетического состояния иона и 1 для более высокого энергетического состояния. Затем выполняются вычисления с использованием света для управления состояниями ионов. Вместо захваченных ионов можно использовать электроны или фотоны. Вы даже можете использовать более сложные объекты, такие как электрический ток в сверхпроводнике.

Эксперимент, проведенный группой под руководством Джона Мартиниса из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, показал, как можно выполнять квантовые операции над одним или двумя квантовыми битами с очень высокой точностью от 99,4 до 99,92 процента. с использованием технологии сверхпроводников.

Хотя квантовые компьютеры уже работающая сегодня в небольшом масштабе, основным препятствием для масштабирования этой технологии являются ошибки и нестабильность. По сравнению с битами kubity они невероятно хрупкие. Даже малейшего возмущения со стороны внешнего мира достаточно, чтобы разрушить квантовую информацию. Поэтому большинство производимых сегодня машин необходимо тщательно защищать в изолированных средах, при температурах намного ниже, чем в космосе. Хотя теоретическая основа для квантовой коррекции ошибок уже разработана, ее реализация энергосберегающим и ресурсосберегающим способом представляет собой серьезную инженерную задачу.

Моделирование химии, нанотехнологии и поиск иголки в стоге сена

Сегодня возникает много вопросов о том, что делать на практике квантовый компьютер будет полезно. Наиболее распространенным ответом на этот вопрос является способность квантовых компьютеров считывать конфиденциальные данные, отправляемые сегодня, например, по сети и зашифрованные с использованием известных в настоящее время методов, таких как RSA, Протокол Диффи-Хеллмана и другие криптографические методы, основанные на факторизации и дискретных логарифмах. Тем не менее, есть много других интересных применений.

В статье, опубликованной в журнале Nature 23 октября 2019 года, ученые сообщили, что команда, стоящая за Квантовый компьютер Google Sycamore (2) Он успешно использовал свою машину для решения определенной задачи всего за 200 секунд. Это была не просто проблема — это была проблема настолько сложная, что для ее решения потребовался бы самый мощный традиционный суперкомпьютер в мире с более чем 10 12. годы. Версия квантового чипа Google Sycamore, уменьшенная до XNUMX кубитов, имитировала химическую реакцию, установив рекорд сложности, но это не то, что, по мнению исследователей, имеет первостепенное значение.

Специалисты, опубликовавшие результаты своих исследований в журнале Science, подчеркивают, что применение системы в области химии демонстрирует универсальность системы и возможность программирование квантовых машин для выполнения задач в любых областях. Объявленное сразу же Google квантовое «превосходство» вызвало споры и может считаться весьма сомнительным в свете дальнейших фактов, например сообщения китайских специалистов от декабря 2020 года, которые сообщили, что их квантовая машина с 76 кубитами выполняет операции на десять миллиардов быстрее, чем Sycamore. .

Поскольку химия и нанотехнологии основаны на понимании квантовых систем, а такие системы не могут быть эффективно смоделированы с помощью классических методов, многие считают, что квантовое моделирование станет одним из наиболее важных приложений квантовых вычислений. Квантовое моделирование его также можно использовать для моделирования поведения атомов и частиц в необычных условиях, таких как реакции внутри коллайдера, и это следует из Фейнмана, процитированного вначале. Например, квантовое моделирование можно использовать для предсказания будущих траекторий частиц и протонов в суперпозиции в эксперименте с двумя щелями.

Квантовое моделированиеученые считают, что они помогут нам не только в химии, но и в изучении погоды, генетики и болезней, квантовой физики и вообще всего, что требует вычислений на огромных числах и наборах данных. Они должны помочь в факторизации и криптографии, в анализе новых космических наблюдений и данных SETI, в гражданском строительстве и градостроительстве, в распознавании образов и закономерностей в криминалистической и антитеррористической деятельности, в генная инженерия i отображение. Квантовые вычисления могут преодолеть любое мыслимое расстояние, которое ИИ может пройти от текущего состояния до «сингулярности», точки в будущем, когда ИИ обретет самосознание.

Такие прогнозы имеют большое значение. Специалисты обычно формулируют более скромные ожидания, в основном из-за того, что квантовые компьютеры могут давать на выходе данные, которые классические компьютеры они не способны эффективно производить, а квантовые вычисления по существу являются линейно-алгебраическими. Есть надежда разработать квантовые алгоритмы, которые смогут ускорить задачи машинного обучения. Например, квантовый алгоритм для линейных систем уравнений или «Алгоритм HHL«, названный в честь своих первооткрывателей Харроу, Хассидима и Ллойда, считается механизмом, обеспечивающим большее быстродействие, чем его классические аналоги. Некоторые исследовательские группы недавно изучили использование оборудования для квантового отжига для обучения машин Больцмана и глубоких нейронных сетей.

Потенциальное применение квантовых компьютеров очень часто упоминается в исследованиях. поиск в огромном количестве данных. Теоретически они намного лучше традиционных машин. Предположим, у вас есть большая телефонная книга, отсортированная в алфавитном порядке по имени (не по номеру телефона). Если бы мы хотели найти человека с номером телефона 6097348000, нам пришлось бы просмотреть всю телефонную книгу и проверить каждую запись. В случае телефонной книги с миллионом номеров это может занять миллион шагов. Другой похожий пример — когда мы хотим найти два одинаковых числа в большом количестве данных.

В 1996 году Лов Гровер из Bell Labs обнаружил, что квантовый компьютер может выполнить ту же задачу за тысячу шагов. В более общем плане квантовые компьютеры пригодятся везде, где нам нужно найти что-то в большом количестве данных, ища иголку в стоге сена.

Однако стоит добавить, что в чужих руках квантовые вычисления могут привести к генетическим манипуляциям для создания суперсолдат или супербольных людей. А способность взломать все коды и системы безопасности в чужих руках звучит ужасающе.

Первые плоды рынка квантовых вычислений

дают шанс решить сложные проблемы оптимизации. Канадская сеть продуктовых магазинов Save-On-Foods стала пионером в этой области, воспользовавшись преимуществом квантовая технология улучшить управление логистикой в ​​магазинах. Инженеры компании обратились к известной квантовой системе D-Wave (3) с логистической задачей, которую классические компьютеры не могли решить. В течение двух месяцев был разработан гибридный квантовый алгоритм, который работал в одном из супермаркетов, сократив время вычислений для некоторых задач с 25 часов в неделю до всего нескольких секунд. Теперь Save-On-Foods намерена распространить эту технологию на другие магазины и исследовать новые способы, с помощью которых квантовые вычисления могут помочь в решении других проблем.

D-Wave, как и другие центры, которые они построили квантовые машины, предоставляет компаниям и учреждениям квантовые вычислительные мощности для целей, которые в настоящее время в основном используются для тестирования. В 2016 году IBM сделала 65-кубитное устройство под названием Hummingbird доступным для разработчиков и профессионалов отрасли в сети Q. Американская компания Honeywell открыла облачный доступ к квантовому компьютеру, работающему по принципу ионных ловушек. Компания Rigetti Computing, работающая с 2017 года, также предоставляет облачный доступ к 31-кубитному квантовому компьютеру.

Kubity уже помогают биотехнологическим компаниям ускорить открытие новых лекарств и материалов. Microsoft уже продемонстрировала, как квантовые компьютеры могут помочь производить удобрения с большей производительностью, что может оказать огромное влияние на сельское хозяйство. Работая над увеличением емкости и скорости зарядки литий-серных аккумуляторов следующего поколения, ученые Daimler ищут наилучшее расположение химических молекул в электролитах, где полезна возможность быстрого и эффективного химического моделирования квантовых компьютеров.

Обычные суперкомпьютеры могут обрабатывать только более простые отношения. ExxonMobil начала квантовое сотрудничество с IBM в 2019 году. В этом случае вычислительная мощность будет использоваться для разработки новых низкоэнергетических химических веществ и улавливания углекислого газа. Исследователи ExxonMobil использовали квантовые возможности IBM для моделирования макроскопических свойств материалов, таких как теплоемкость.

Еще одна отрасль, которая проявляет большой интерес к квантовым технологиям, — это финансовый сектор. Считается, что квантовые компьютеры, принимая во внимание экспоненциально большое количество факторов и переменных, могли бы генерировать значительно больше энергии.ранние прогнозы финансового риска неопределенность и повысить эффективность ключевых операций, таких как оптимизация инвестиционного портфеля или ценообразование опционов. Перечисленные примеры не исчерпывают предсказанного списка приложений и потенциальных преимуществ квантовых компьютеров (4).

4. Преимущества квантовых компьютеров

Следующие шаги, т. е. Интернет и языки программирования

Квантовые вычисления это, конечно, тоже квантовый интернет. В конце 2020 года международная группа исследователей построила масштабируемую квантовую сеть на всей территории Великобритании и Бристоля для обмена ключами для шифрования сообщений. Квантовая криптография — это использование законов квантовой механики для создания закрытого ключа для кодирования и декодирования сообщений в процессе, называемом распределением. квантовый ключ или QKD.

Еще одна квантовая сеть строится к востоку от Нью-Йорка в кампусе Брукхейвенской национальной лаборатории. Проект основан на квантовой фотонной телепортации, которая работает на базе уже существующей оптоволоконной сети. Ученые успешно осуществляли передачи на расстояния до 130 километров. Американские СМИ называют проект «ядром национального квантового интернета».

Также другие страны создают основы квантовой сети. Целых 4600 км измеряет китайская сеть квантовой связи, о которой было объявлено в начале 2021 года. Он включает в себя как оптическое, так и спутниковое соединение. Считается, что информацию, передаваемую по квантовым каналам, невозможно перехватить. Ученые из Университета науки и технологий Китая в журнале «Nature» описали рекордно широкую сеть, основанную на технологии квантового распределения ключей (QDT — Quantum Key Distribution). Китайская сеть объединяет более 700 точек. Для этого используются два спутниковых канала и более 2 км оптических волокон. Конечно, лишь некоторые из сегментов, спутниковые, носят квантовый характер, исходя из исследований, уже опробованных китайскими исследователями несколько лет назад. квантовый метод передачи данных.

Конечно, для развития и популяризации квантовых вычислений потребуются более доступные интерфейсы и возможность программировать машины без необходимости привлечения штата самых именитых ученых. Первые попытки приблизить этот мир еще немного «под соломенными крышами» уже появились. В прошлом году ученые из Технологического университета ETH в Цюрихе разработали Silq, признанный первым языком программирования для квантовые машиныэто так же элегантно, просто и безопасно, как классические языки программирования. На практике это означает, что программирование квантовых компьютеров может быть намного проще, чем раньше.

Сейчас квантовые языки программирования тесно связаны с конкретным оборудованием. Другими словами, они точно описывают поведение отдельных вычислительных систем. Для программистов такие «языки описания оборудования» громоздки и подвержены ошибкам, поскольку отдельные инструкции по программированию должны быть чрезвычайно подробными, четко описывающими мельчайшие детали, необходимые для реализации квантовых алгоритмов. Предполагается, что Silq является языком более высокого уровня, допускающим более абстрактный подход, типичный для современного компьютерного программного обеспечения.