Кубиты вместо битов: какое будущее готовят нам квантовые компьютеры?


    Одной из главных научных задач нашего времени стала гонка за создание первого полезного квантового компьютера. В ней участвуют тысячи физиков и инженеров. Свои концепты разрабатывают IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как мощное вычислительное устройство изменит наш мир, и почему это так важно?

    Представьте на мгновение: полноценный квантовый компьютер создан. Он стал привычным и естественным элементом нашей жизни. О классических вычислениях теперь говорят только в школе, на уроках истории. Где-то глубоко в холодных подвалах мощные машины оперируют кубитами, чтобы поддерживать работу роботов, оснащенных искусственным интеллектом. Они выполняют все опасные и просто монотонные дела. Прогуливаясь по парку, вы смотрите по сторонам и видите всевозможных роботов. Человекоподобные существа выгуливают собак, продают мороженое, ремонтируют электропроводку, подметают территорию. Некоторые модели заменяют домашних любимцев.

    Мы получили возможность раскрыть все тайны Вселенной и заглянуть внутрь самих себя. Медицина вышла на новых уровень — инновационные лекарственные препараты разрабатываются каждую неделю. Мы можем прогнозировать и определять, где находятся дефицитные ресурсы, такие как газ и нефть. Решена проблема глобального потепления, оптимизированы методы сбережения энергия, в городах больше нет пробок. Квантовый компьютер не только управляет всеми роботизированными машинами, но и обеспечивает свободное движение: следит за ситуацией на дорогах, корректирует маршруты и перехватывает управление у водителей в случае необходимости. Вот так может выглядеть квантовый век.

    Квантовая золотая лихорадка


    Перспективы применения поражают воображение, поэтому инвестиции в квантовые разработки растут с каждым годом. Мировой рынок квантовых вычислений оценили в 81,6 млн долларов США в 2018 году. Специалисты Market.us предполагают, что к 2026 году он достигнет 381,6 млн долларов США. То есть будет увеличиваться в среднем на 21,26% в год с 2019 по 2026.

    Этот рост стимулируется растущим использованием квантовой криптографии в приложениях безопасности и обусловлен инвестициями заинтересованных сторон рынка квантовых вычислений. К началу этого года, по данным анализа научного журнала Nature, частные инвесторы профинансировали по меньшей мере 52 компании по квантовым технологиям во всем мире. Над созданием практически применимого квантового компьютера бьются такие крупные игроки, как IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.

    Да, пока денежные средства, поступающие в эту область ежегодно, представляют собой небольшие затраты (для сравнения: в 2018 году инвестиции в ИИ составили 9,3 млрд долларов США). Но эти цифры существенны для незрелой отрасли, которая еще не может похвастаться показателями эффективности.

    Решение квантовых задач


    Нужно понимать, что на сегодняшний день технология все еще находится в зачаточном состоянии. Удалось создать только прототипы квантовых машин, единичные экспериментальные системы. Они способны исполнять фиксированные алгоритмы небольшой сложности. Первый 2-кубитный компьютер был создан в 1998 году, и человечеству потребовался 21 год, чтобы довести устройства до должного уровня, так называемого, «квантового превосходства». Этот термин ввел в обращение профессор Калифорнийского технологического института Джон Прескилл. И он означает способность квантовых устройств решать задачи быстрее самых мощных классических компьютеров.

    Прорыв в этой области совершила калифорнийская компания Google. В сентябре 2019 года корпорация заявила, что их 53-кубитное устройство Sycamore за 200 секунд справилось с вычислением, на выполнение которого у самого современного суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Заявление вызвало много споров. В IBM с такими расчетами категорически не согласились. В своем блоге компания написала, что их суперкомпьютер Summit справится с такой задачей за 2,5 дня. И все, что для этого нужно, — увеличить емкость дискового хранилища. Хоть на деле разница оказалась не такой колоссальной, Google действительно первой достигла «квантового превосходства». И это является важной вехой в компьютерных исследованиях. Но не более того. Подвиг Sycamore носит исключительно демонстрационный характер. Он не имеет практического применения и бесполезен для решения реальных задач.

    Основной проблемой является аппаратное обеспечение. Если традиционные вычислительные биты имеют значение 0 или 1, то в странном квантовом мире кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно. Это свойство называется суперпозицией. Кубиты похожи на крутящихся волчков: вращаются одновременно и по часовой стрелке, и против, двигаются и вверх, вниз. Если находите это запутанным, то вы в отличной компании. Ричард Фейнман как-то сказал: «Если думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете». Смелые слова от человека, который получил Нобелевскую премию за … квантовую механику.

    Итак, кубиты крайне нестабильны и подвержены внешним воздействиям. Проезжающая под окнами лаборатории машина, внутренний шум системы охлаждения, пролетающая космическая частица — любая случайная помеха, любое взаимодействие нарушает их синхронность и они декогерируют. Это губительно для вычислений.

    Ключевой вопрос для развития квантовых вычислений заключается в том, какое аппаратное решение из множества исследованных будет обеспечивать стабильность кубитов. Тот, кто решит проблему нарушения когерентности и сделает квантовые компьютеры такими же распространенными, как графические процессоры, получит Нобелевскую премию и станет самым богатым человеком на свете.

    Путь к коммерциализации


    В 2011 канадская компания D-Wave Systems Inc. первой стала продавать квантовые компьютеры, хотя их полезность ограничена определенными математическими задачами. А в ближайшие месяцы миллионы разработчиков смогут начать использовать квантовые процессоры через облако — IBM обещает предоставить доступ к своему 53-кубитному устройству. Пока в рамках программы под названием Q Network такую привилегию получили 20 компаний. Среди них производитель техники Samsung Electronics, автопроизводители Honda Motor и Daimler, химические компании JSR и Nagase, банки JPMorgan Chase & Co. и Barclays.

    Большинство компаний, эксперементирующих сегодня с квантовыми вычислениями, рассматривают их как неотъемлемую составляющую будущего. Сейчас их главная миссия — узнать, что работает в квантовых вычислениях, а что нет. И быть готовыми первыми внедрить технологию в бизнес, когда она будет готова.

    Транспортные организации. Volkswagen совместно с компанией D-Wave разрабатывает квантовое приложение — систему управления дорожным движением. Новая программа даст возможность общественным транспортным организациям и компаниям такси в крупных городах более эффективно использовать свой автопарк и минимизировать время ожидания пассажиров.

    Энергетический сектор. ExxonMobil и IBM продвигают применение квантовых вычислений в энергетике. Они сосредоточены на разработке ряда новых энергетических технологий, повышении энергоэффективности и сокращении выбросов парниковых газов. Масштабы и сложность задач, с которыми сталкивается энергетический сектор, выходят за рамки современных традиционных компьютеров и хорошо подходят для тестирования на квантовых.

    Фармацевтические компании. Accenture Labs сотрудничает с 1QBit, компанией-разработчиком квантового программного обеспечения. Всего за 2 месяца от исследовательского дела они перешли к проверке концепции — применению приложения по моделированию сложных молекулярных взаимодействий на атомных уровнях. Благодаря мощности квантовых вычислений появилась возможность анализировать более крупные молекулы. Что это даст обществу? Инновационные препараты с наименьшими побочными эффектами.

    Финансовый сектор. Технологии, основанные на принципах квантовой теории, все больше привлекают интерес банков. Они заинтересованы в том, чтобы как можно быстрее обрабатывать транзакции, сделки и другие типы данных. Свои эксперименты по разработке специализированного программного обеспечения уже ведут Barclays и JP Morgan Chase (с IBM), а также NatWest (с Fujitsu).

    Принятие со стороны таких крупных корпораций и появление предприимчивых квантовых пионеров говорят о коммерческой жизнеспособности кванта. Мы уже видим, как квантовые вычисления применяют для задач реального мира — от повышения энергоэффективности до оптимизации маршрутов автотранспорта. И что важно, ценность технологии будет расти по мере развития.
    Parallels
    Мировой лидер на рынке межплатформенных решений

    Комментарии 18

      0
      О чем статья? Что из неё узнал нового хоть кто-то на этом сайте?
        0

        По крайней мере это классное вступление для реферата.

        +7
        Ни в одной научной работе (статье) пока не было показано преимущество реальных созданных квантовых компьютеров. Об этом давно говорит D-wave, но веры в их заявления немного, в целом у сообщества скепсис. Отсюда и такой ажиотаж вокруг этой последней работы Гугла о «превосходстве». При этом и они смогли решить только демонстрационную, а не практическую задачу. Причем они лидеры всей области, а решение стоило им огромных усилий. Поэтому заявления некоторых компаний о том, что они уже как-то используют квантовые вычислители в практических целях, вызывают странные ощущения. Больше похоже на ПиАр. Плюс, возможно, это скорее тестовые или исследовательские работы. В любом случае, ждем публикаций, как у Гугла. Разговор начинается с этого.
          +1
          Есть разница между гуглом и другими компаниями, которые «уже используют». Гугл делает универсальный квантовый компьютер: полностью программируемое устройство. Другие компании делают квантовые симуляции: они могут выполнять только одну очень конкретную задачу (типа DWave с квантовым отжигом), и запрограммировать его по сути нельзя. Да, внутре у ней квантовая неонка, конечно, но относительно гугла это все игрушки. Квантовые симуляции на многих кубитах уже давно делают (вот Лукин, например), но это все же совсем другая задача.
            +1
            Знаю я все это. :) DWave толком ничего не продемонстрировали. Смотрите, как тщательно Гугл доказывает свое «квантовое превосходство». DWave это дело благополучно перескочили, начав сразу показывать результаты, которые нельзя проверить из-за большого числа кубитов. Им не раз прямо задавали вопрос — почему не покажете тщательно для небольшого числа кубитов? 2-5-10-15-20-25-… — и поехали. Всё можно просчитать и сравнить. Ответа четкого нет. То, что их машинка в каком-то виде работает, вопросов нет. Вопрос в том, работает ли она за счет квантовых эффектов или же это классическое аналоговое устройство, которое в том или ином виде делает обычный температурный отжиг. Скорее, второе.
              +1
              Да я в общем и не спорю:) Особенно про DWave — это уж точно в первую очередь хайп.
              0
              Гугл делает универсальный квантовый компьютер: полностью программируемое устройство.

              они могут выполнять только одну очень конкретную задачу (типа DWave с квантовым отжигом), и запрограммировать его по сути нельзя.

              Ничего себе заявленьице! То есть ничего, что машина D-Wave решает QUBO? Да их машина более универсальная, чем у того же Гугла с его квантовым сэмплингом! Хотя бы потому, что к QUBO очень просто свести любую NP-hard задачу (ну, может, и не просто, но классические "референсные" NP-hard задачи уж точно запросто сводятся к QUBO). А потому, если D-Wave могут быстро решать QUBO, то это означает, что они могут быстро решать любую другую NP-hard задачу! А есть там квантовые эффекты или нет — это уже на самом деле дело десятое. Что в самом деле плохо у машины D-Wave — это то, что на их химеру-граф ложатся задачи с ограниченной древесной шириной. Еще одна проблема — это невозможность математически строго доказать, что они способны решать быстро любую NP-hard проблему с той самой ограниченной древесной шириной (или, что то же самое, любой пример QUBO, который умещается на их граф), даже если граф связности будет иметь бесконечный размер. Вот это серьезные проблемы, а не то, что D-Wave решает одну конкретную задачу. Если будет решена одна — будут решены все NP-hard проблемы.


              Нас квантовые машины интересует не сами по себе, а в связи с верой в то, что они способны решать быстро задачи, которые не могут решать классические машины. Но если есть не-квантовое устройство, которое может быстро решить NP-hard, то это замечательно! Потому что в этом случае нам и не нужны никакие квантовые машины.

                +2
                Да их машина более универсальная, чем у того же Гугла с его квантовым сэмплингом!
                У Гугла полностью программируемый КК, т.е. потенциально универсальный (это термин). Да, пока он достаточно бесполезен и заточен под конкретную задачу, но он в него можно запрограммировать в принципе любой код. В DWave вы можете делать только отжиг. Отжиг тоже полезное дело, как вы правильно замечаете: есть много важных задач, которые решаются отжигом. И я совсем не спорю с вашими замечаниями про проблемы DWave. Но еще одна проблема, о которой пишет Ququmber — их результаты пока не верифицированы.
                Потому что в этом случае нам и не нужны никакие квантовые машины.
                Нет, я так не думаю. Не все задачи сводятся к P/NP. А квантовое превосходство может быть и в таких задачах.
                  +1
                  У Гугла полностью программируемый КК, т.е. потенциально универсальный (это термин). Да, пока он достаточно бесполезен и заточен под конкретную задачу, но он в него можно запрограммировать в принципе любой код.

                  Нет, не можно. Топология кубитов у гугловского КК — фиксирована. Более того, зафиксированы положения гейтов, действующих на 2 кубита. Единственная программируемость этой машины — это выбирать на какой кубит будет действовать гейт, меняющий его состояние. Вы уверены, что такой КК способен решать любую задачу? Я почему-то очень сильно в этом сомневаюсь. Я даже более чем уверен, что у гугловской машины та же проблема с задачами с неограниченной древесной шириной, как и у D-Wave.


                  Нет, я так не думаю. Не все задачи сводятся к P/NP. А квантовое превосходство может быть и в таких задачах.

                  Согласен, тут я был несколько категоричен. Но в то же время я не слышал, чтобы кто-то работал над решением, допустим, EXP задач на КК. Поэтому тут совсем уж призрачные надежды как по мне.

                    +2
                    Вообще говоря, тот факт, что двухкубитный гейт нельзя НАПРЯМУЮ применить к любой паре кубитов, не означает, что его нельзя применить ВООБЩЕ. Хорошо известны соответствующие методы — например, с использованием операции SWAP (можно составить из трех CNOT, а можно и еще проще) квантовые состояния с одного физического кубита перегоняются на другой (точнее, обмен местами). Поэтому для универсального квантового компьютера полной связности и не надо. Универсальный тут — это такой, который способен проводить произвольное унитарное вращение в многокубитном пространстве. Конечно, в то же время, чем выше связность, тем меньше потребуется операций. Это исследовалось, например, тут, для разных стандартных алгоритмов:
                    Adam Holmes, Sonika Johri, Gian Giacomo Guerreschi, James S. Clarke, A.Y. Matsuura «Impact of qubit connectivity on quantum algorithm performance», arXiv:1811.02125 (2018).
                    Выигрыш или проигрыш сильно зависит от алгоритма. К тому же, теоретики не стоят на месте. Например, огромные успехи в деле улучшения алгоритмов систематически демонстрирует тот же коллектив Гугла — там есть такой Баббуш, это просто монстр.
                      +2

                      Я вот это я как-то упустил. Спасибо за статью, надо будет ознакомиться.

                        +2
                        Про SWAP есть и в описании КК IBM. В их tutorials.
                  +2
                  Если эта машина не квантовая, то каков смысл в этой деятельности? Специализированные КЛАССИЧЕСКИЕ машины для температурного, классического отжига вполне себе известны. В одном из докладов видел чип Хитачи (на полупроводниках). Да и на обычных суперкомпьютерах вполне себе можно разыгрывать классический отжиг и еще 100500 методов для решения таких задач с разной степенью точности и успешности. Разве кто-то показал, что Dwave чемпион в этом деле? Нет, конечно.

                  Более того, к самому методу квантового отжига — вне зависимости от проблем физических реализаций — есть серьезные вопросы. То есть даже для идеальной системы он вряд ли способен работать. Проблема в ультрамалых щелях во время эволюции системы. Они экспоненциально малы и для сохранения адиабатичности придется экспоненциально долго эволюционировать, что делает задачу бессмысленной. Это известно довольно хорошо. Были, например, работы Бориса Альтшулера и Сергея Кныша.

                  Гугл же делает универсальный квантовый компьютер. Пока сделали то, что сделали. Дальше хотят выходить на коррекцию ошибок и, в перспективе, строить отказоустойчивый квантовый компьютер, работающий на основе гейтовой модели вычислений.
                    0
                    Если эта машина не квантовая, то каков смысл в этой деятельности?

                    Потому что наша цель — это решать задачи, а не построить вундервафлю просто потому, что мы можем.


                    Специализированные КЛАССИЧЕСКИЕ машины для температурного, классического отжига вполне себе известны.

                    Более того, для многих примеров задач реального мира даже будь они трижды NP-hard, скорее всего Вы сможете их решить на обычном компьютере с помощью каких-нибудь эвристик. Но, к сожалению, не все.


                    Я полностью согласен с Вами, что проблема D-Wave в невозможности подтвердить их заявления. А так как я сам лично являюсь квантовым скептиком, то думаю, что многие их заявления — это просто маркетинговая ложь.


                    Но тем не менее, они проводили презентацию, когда гугл (с наса?) покупали их машину, и предоставили benchmarks. Которые ясно показали, что их машина способна довольно шустро решать некоторые QUBO (точней, те примеры, что были в benchmarks). На классических машинах, вроде, мы пока не очень умеем решать хоть какие-нибудь QUBO, нет у нас для этого зарекомендовавших себя эвристик. Так что если есть машина, которая быстро решает пусть и не все примеры QUBO, а даже пускай только 0.000001% их — это куда круче, чем не иметь такую машину.


                    То есть даже для идеальной системы он вряд ли способен работать. Проблема в ультрамалых щелях во время эволюции системы. Они экспоненциально малы и для сохранения адиабатичности придется экспоненциально долго эволюционировать

                    Простите, я не физик. Поэтому я тут мало что могу прокомментировать. Но! D-Wave показали, что их машина способна решать некоторые QUBO. Так что заявление, что квантовый отжиг в принципе не способен работать за разумное время — несколько категорично.

                      +2
                      «некоторые QUBO» может решать любой персональный компьютер, это же очевидно. Вопрос в сложности конкретной задачи. Пока на Dwave было продемонстрировано нечто иное — в этой работе:
                      Vasil S. Denchev, Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Nan Ding, Ryan Babbush, Vadim
                      Smelyanskiy, John Martinis, Hartmut Neven, What is the Computational Value of Finite
                      Range Tunneling?, Phys. Rev. X 6, 031015 (2016).

                      Была реализована специализированная оптимизационная задача, в которой ландшафт в пространстве оптимизационных параметров характеризуется очень высокими и узкими пиками. Для квантового туннелирования это лучше по сравнению с термоактивацией. Задача очень искусственная. Утверждается, что их устройство смогло ее решить на 6-8 порядков быстрее, чем одноядерный процессор на разных методах. Вот и все. Для более реалистических задач это не проходит. Не говоря уж о сравнении с суперкомпьютерами или специализированными классическими вычислителями, в т.ч. аналоговыми.
                        +2

                        Да, и ещё, я не говорил про "разумное время". Я говорил об экспоненциальной сложности задачи. Это означает, что с ростом размера системы, для которой ищется глобальный минимум чего-нибудь, будет экспоненциально расти и время квантового отжига. А только для больших систем все это и интересно, для малых и так можно считать. Так что экспоненциальный выигрыш от квантовости скушается экспоненциальным проигрышем из-за неадиабатических эффектов (конечная скорость эволюции).


                        Моё персональное мнение — идея исходно тухлая. Могу ошибаться.


                        Что касается Наса, они давно с этой штукой возились, и, насколько помню, в итоге её забросили. И вообще, продаж было очень мало, всего несколько машин за все годы. Нет бума.

                          +2

                          Dwave исходно основала группа товарищей, среди которых были бывшие советские физики. Одного из них я лично знаю и вообще куча общих знакомых. Так что история Dwave хорошо известна в узких кругах. Довольно быстро там перехватили власть профессиональные западные менеджеры, программа работ с постепенной и научной была изменена на хайповую, чтоб шла деньга от инвесторов, а всех несогласных, включая отцов-основателей, вышибли.

                  0
                  Фармацевтические компании. Accenture Labs сотрудничает с 1QBit, компанией-разработчиком квантового программного обеспечения.

                  Лучше б Вы этого не писали. 1QBit — это такая шарашкина контора, чье предназначение — это доить деньги с инвесторов, при этом делая вид, будто они занимаются чем-то серьезным.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое