Квантовый процессор что это такое
Квантовые компьютеры (перевод с сайта Explaining Computers)
Квантовые вычисления
Квантовые вычисления — это быстро развивающаяся область компьютерных исследований, коммерческое применение которой ожидается в ближайшее время. К этому времени квантовые компьютеры превзойдут традиционные компьютеры в определённых задачах, к которым относятся молекулярное и материальное моделирование, оптимизация логистики, финансовое моделирование, криптография и обучение искусственного интелекта.
Основы квантовых вычислений
Традиционные компьютеры построены из кремниевых микросхем, содержащих миллионы или миллиарды миниатюрных транзисторов. Каждый из них может быть включен — в понимании машины это состояние «0» или «1». Впоследствии компьютер хранит и обрабатывают данные, используя «двоичные числа» или «биты».
Квантовые компьютеры работают с «квантовыми битами» или «кубитами». Они могут поддерживаться аппаратно разными способами — например, с помощью квантово-механических свойств сверхпроводящих электрических цепей или отдельных захваченных ионов.
Кубиты могут существовать более чем в одном состоянии или «суперпозиции» в один и тот же момент времени. Что позволяет кубиту принимать значение «1», «0» или оба значения одновременно. Это позволяет квантовому компьютеру обрабатывать гораздо большее количество данных, чем классический компьютер, и выполнять массовую параллельную обработку. Это также означает, что каждый кубит, добавленный в квантовый компьютер, экспоненциально увеличивает его мощность.
Большинство людей теряется, когда слышит про свойства кубита. Подброшенная монета не может выпадать одновременно орлом и решкой. И всё же, квантовому состоянию кубита под силу что-то подобное. Поэтому неудивительно, что известный физик-ядерщик Нильс Бор однажды заявил: «Всякий, кого не шокирует квантовая теория, просто её не понимает!»
Помимо суперпозиций, кубиты могут «запутываться». «Запутанность» — ещё одно ключевое квантово-механическое свойство, означающее, что состояние одного кубита может зависеть от состояния другого. Это означает, что наблюдение за одним кубитом может выявить состояние его ненаблюдаемой пары.
Создавать кубиты и управлять ими очень сложно. Многие из сегодняшних экспериментальных квантовых процессоров используют квантовые явления, возникающие в сверхпроводящих материалах, и, следовательно, нуждаются в охлаждении почти до абсолютного нуля (около минус 272 градусов Цельсия). Также требуется защита от фонового шума, и даже в этом случае выполнение вычислений с использованием кубитов потребуют исправления ошибок. Основной задачей квантовых вычислений является создание отказоустойчивой машины.
Квантовые первопроходцы
К компаниям, которые в настоящее время разрабатывают оборудование для квантовых компьютеров, относятся: IBM, Alibaba, Microsoft, Google, Intel, D-Wave Systems, Quantum Circuits, IonQ, Honeywell, Xanadu и Rigetti. Многие из них работают совместно с исследовательскими группами крупных университетов, и все они продолжают добиваться значительных успехов. Дальше приводится обзор работы каждой из этих компаний.
IBM работает над созданием квантового компьютера уже более 35 лет. Она добилась значительного прогресса с несколькими работающими машинами. Согласно веб-сайту IBM-Q: «Сегодня квантовые вычисления — это игровая площадка для исследователей, но через пять лет они станут мейнстримом». Через пять лет эффект квантовых вычислений выйдет за рамки исследовательской лаборатории. Он будет широко использоваться новыми категориями профессионалов и разработчиков, которые используют этот новый метод вычислений для решения проблем, которые когда-то считались неразрешимыми».
В 2016 году IBM запустила сайт под названием IBM Q Experience, который показал 5-кубитный квантовый компьютер всему интернету. С этого времени, к нему присоединились вторая машина на 5 кубитов и машина на 16 кубитов, обе из которых доступны для экспериментов. Чтобы помочь тем, кто хочет узнать о квантовых вычислениях и принять участие в их разработке, IBM предлагает программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit.
В ноябре 2017 года IBM объявила, что к её квантовому облаку добавляются две 20-кубитные машины. Их могут использовать клиенты, которые являются зарегистрированными членами IBM Q Network. IBM описывает это как «всемирное сообщество ведущих компаний, стартапов, академических институтов и национальных исследовательских лабораторий из списка Fortune 500, работающих с IBM над продвижением квантовых вычислений и изучением практических приложений для бизнеса и науки».
Также в ноябре 2017 года IBM объявила что сконструировала квантовый процессор на 50 кубитов, который на тот момент считался самым мощным квантовым оборудованием.
В январе 2019 года IBM объявила о выпуске своей IBM Q System One как «первой в мире интегрированной универсальной системы приближенных квантовых вычислений, разработанной для научного и коммерческого использования». Эта модульная и относительно компактная система предназначена для использования вне лабораторных условий. Вы можете узнать больше о IBM Q System One в этом пресс-релизе.
Ещё один технологический гигант, который усердно работает над тем, чтобы квантовые вычисления стали реальностью, — это Google, у которой есть лаборатория квантового ИИ. В марте 2017 года инженеры Масуд Мохсени, Питер Рид и Хартмут Невен, которые работают на этом объекте, опубликовали статью в Nature. В ней они рассказали, что квантовые вычисления возможны на относительно небольших устройствах, которые появятся в течение следующих пяти лет. Это подтверждает взгляды IBM на сроки появления коммерческих квантовых вычислений.
На раннем этапе развития квантовых вычислений компания Google использовала машину от канадской компании D-Wave Systems. Однако сейчас компания активно разрабатывает собственное оборудование, а в марте 2018 года анонсировала новый 72-кубитный квантовый процессор под названием Bristlecone.
В июне 2019 года директор лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Хартмут Невен отчитался, что мощность их квантовых процессоров в настоящее время растет вдвое экспоненциально. Это было названо «законом Невана» и предполагает, что мы можем достичь точки квантового превосходства, когда квантовый компьютер может превзойти любой классический компьютер к концу 2019 года.
В октябре 2019 года команда инженеров Google опубликовала в Nature статью, в которой утверждала, что достигла квантового превосходства. В частности, учёные Google использовали квантовый процессор под названием Sycamore для выборки выходного сигнала псевдослучайной квантовой схемы. Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Для сравнения, команда Google подсчитала, что классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 000 лет для выполнения тех же вычислений. Далее команда пришла к выводу: «Квантовые процессоры на основе сверхпроводящих кубитов теперь могут выполнять вычисления за пределами досягаемости самых быстрых классических суперкомпьютеров, доступных сегодня. Этот эксперимент знаменует собой первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре. Таким образом, квантовые процессоры достигли режима квантового превосходства».
Это откровение инженеров Google было большой новостью, но вскоре вызвало споры. IBM опубликовала сообщение в блоге, сказав, что вычисления в эксперименте Google могут быть выполнены на классическом компьютере за два с половиной дня, а не за 10 000 лет. И по утверждению IBM: «Поскольку первоначальное значение термина ‘квантовое превосходство’, предложенное Джоном Прескиллом в 2012 году, заключалось в описании точки, в которой квантовые компьютеры могут делать то, что не могут классические компьютеры — эта граница ещё не преодолена».
Alibaba
В Китае главным интернет-гигантом является Alibaba, а не Google. А в июле 2015 года они объединилась с Китайской Академией Наук, чтобы сформировать «Лабораторию квантовых вычислений CAS — Alibaba». Как пояснил профессор Цзянвэй Пан, их цель состоит в том, чтобы «провести передовые исследования систем, которые кажутся наиболее многообещающими для реализации практических приложений квантовых вычислений, а также разрушить узкие места закона Мура и классических вычислений». Вы можете посетить сайт лаборатории здесь.
Как и IBM, Alibaba сделала экспериментальный квантовый компьютер доступным в Интернете. В частности, в марте 2018 года китайский гигант электронного бизнеса запустил своё «сверхпроводящее облако квантовых вычислений», чтобы обеспечить доступ к 11-кубитному квантовому компьютеру. Он был разработан с Китайской Академией Наук и позволяет пользователям запускать квантовые программы и загружать результаты.
Microsoft
Как и следовало ожидать, Microsoft тоже заинтересована в квантовых вычислениях и работает с некоторыми ведущими учёными и университетами мира. С этой целью Microsoft создала несколько лабораторий «Station Q», например лабораторию в Калифорнийском университете. В феврале 2019 года компания также анонсировала Microsoft Quantum Network, чтобы объединить вместе все партнёрские коалиции.
Ключевым элементом стратегии Microsoft является разработка квантовых компьютеров на основе «топологических кубитов», которые, по мнению компании, будут менее подвержены ошибкам (следовательно, для исправления ошибок потребуется меньшее количество системных ресурсов). Microsoft также считает, что топологические кубиты будет легче масштабировать для коммерческого применения. Согласно статье в Computer Weekly за май 2018 года, вице-президент Microsoft, отвечающий за квантовые вычисления, считает, что коммерческие квантовые компьютеры могут появиться на их облачной платформе Azure всего через пять лет.
Что касается программного обеспечения, то в декабре 2017 года Microsoft выпустила предварительную версию своего инструмента разработчика вычислительной техники. Его можно загрузить бесплатно, он включает язык программирования под названием Q# и симулятор квантовых вычислений. В мае 2019 года Microsoft сообщила, что собирается открыть исходный код инструмента разработчика. А в мае 2020 года компания анонсировала свой сервис облачных вычислений Azure Quantum.
Intel
Intel, как ведущий производитель микропроцессоров в мире, тоже работает над созданием микросхем для квантовых вычислений. Компания применяет два различных подхода. Одно из этих направлений проводится совместно с ведущим голландским пионером квантовых вычислений QuTech. 17 ноября 2017 года Intel объявила о поставке своему партнеру в Нидерландах тестового чипа на 17 кубитов. Затем, в январе 2018 года на выставке CES, компания объявила о поставке тестового квантового процессора на 49 кубитов под названием Tangle Lake.
Второе направление исследований Intel в области квантовых вычислений проводится исключительно внутри компании и включает в себя создание процессоров на основе технологии, называемой «спиновой кубит». Это важное нововведение, поскольку чипы спиновых кубитов производятся с использованием традиционных методов изготовления кремния Intel. В июне 2018 года Intel сообщила, что начала тестирование 26-спинового кубитного чипа.
Спиновые кубиты Intel имеют диаметр всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это означает, что, возможно, через десять лет Intel сможет производить крошечные квантовые процессоры, содержащие тысячи или миллионы кубитов. В отличие от обычных процессоров, их нужно охлаждать почти до абсолютного нуля. Но потенциал поистине захватывающий. Согласно разделу сайта Intel, посвященному квантовым вычислениям, компания нацелена на производство квантовых процессоров в течение десяти лет и ожидает, что технология начнет входить в свою «коммерческую фазу» примерно в 2025 году.
D-Wave Systems
D-Wave Systems — пионер квантовых вычислений, базирующийся в Канаде, и ещё в 2007 году продемонстрировавший 16-кубитный квантовый компьютер. В 2011 году компания продала 128-кубитную машину D-Wave One за 10 миллионов долларов американской военно-промышленной корпорации Lockheed Martin. В 2013 году — 512-кубитные D-Wave Two ведомству NASA и компании Google. К 2015 году D-Wave преодолела барьер в 1000 кубитов со своим D-Wave 2X, а в январе 2017 года продала свою первую 2000-кубитную машину D-Wave 2000Q фирме, специализирующейся в кибербезопасности, Temporal Defense Systems.
Читая этот список достижений, вы, возможно, пришли к выводу, что D-Wave должен быть ведущим производителем квантовых компьютеров в мире. В конце концов, это единственная компания, которая торгует такими машинами. Тем не менее, работа компании остаётся спорной. Это потому, что их оборудование основано на «адиабатическом» процессе, называемом «квантовый отжиг», который другие пионеры отвергли как «ограничительный» и «тупиковый». IBM, например, использует подход к квантовым вычислениям «на основе затвора», который позволяет ей управлять кубитами аналогично тому, как транзистор управляет потоком электронов в обычном микропроцессоре. Но в системе D-Wave такого контроля нет.
Вместо этого квантовый компьютер D-Wave использует факт того, что все физические системы стремятся к состояниям с минимальной энергией. Так, например, если вы заварите чашку чая и отлучитесь по делам — когда вы вернетесь, она будет холодной, потому что содержимое стремится к минимальному энергетическому состоянию. Кубиты в системе D-Wave также этому подвержены, и поэтому компания использует своё оборудование для решения проблем оптимизации, которые могут быть выражены как «проблемы минимизации энергии». Это ограничивает в возможностях, но всё же позволяет аппаратному обеспечению выполнять определенные алгоритмы намного быстрее, чем классический компьютер. Вы можете ознакомиться с видео, в котором D-Wave объясняет свой подход к квантовым вычислениям.
В августе 2016 года в статье Physical Review X сообщалось, что некоторые алгоритмы работают до 100 миллионов раз быстрее на D-Wave 2X, чем на одноядерном классическом процессоре. Одним из авторов этого исследования оказался технический директор Google. Всё это говорит о том, что мнение о ценности работы D-Wave для развития квантовых вычислений остаётся спорным.
Компания продолжает продвигать свои квантовые компьютеры. В октябре 2018 года D-Wave запустила облачную квантовую среду приложений под названием Leap. Она обеспечивает доступ в реальном времени к квантовому компьютеру D-Wave 2000Q, а в марте 2019 года доступ был расширен, чтобы предоставить такую возможность Японии и всей Европе.
Rigetti
Ещё один игрок в области квантовых вычислений — это стартап под названием Rigetti. В компании уже работает более 120 сотрудников, и они собрали 19-кубитный квантовый компьютер доступный онлайн через свою среду разработки под названием Forest.
Quantum Circuits
Другой стартап — Quantum Circuits, основанный ведущим профессором квантовых вычислений Робертом Шёлкопфом и другими коллегами из Йельского университета. Компания привлекла 18 миллионов долларов венчурного капитала и планирует «победить гигантов компьютерной индустрии» в гонке за создание жизнеспособного квантового компьютера.
IonQ — специализируется в области квантовых вычислений с захваченными ионами. Компания утверждает, что её технология «сочетает в себе непревзойденную физическую производительность, идеальную репликацию кубитов, возможность подключения к оптическим сетям и высокооптимизированные алгоритмы», чтобы «создать квантовый компьютер, который является столь же масштабируемым, сколь и мощным и который будет поддерживать широкий спектр приложений в самых разных отраслях». Если вы хотите узнать больше о квантовых вычислениях, на сайте IonQ есть отличное учебное пособие.
Xanadu
Xanadu разрабатывает фотонные квантовые вычисления, интегрируя «квантовые кремниевые фотонные чипы в существующее оборудование для создания полнофункциональных квантовых вычислений». Как отмечает компания, по сравнению с другими технологиями кубитов, «фотоны очень стабильны и почти не подвержены влиянию случайного шума от тепла. Мы используем фотонные чипы для генерации, управления и измерения фотонов способами, обеспечивающими чрезвычайно быстрые вычисления».
Honeywell
Еще одна компания, которая применяет способ квантовых вычислений с захваченными ионами, является Honeywell. У компании огромный опыт в области бизнес-вычислений. В июне 2020 года Honeywell объявила о создании самого высокопроизводительного квантового компьютера в мире. Остальные компании отнеслись к этому скептически. Но, тем не менее, это ещё одна важная разработка — особенно потому, что как стало известно, американский финансовый холдинг JPMorgan Chase уже экспериментирует со этой системой для разработки приложений финансовых услуг, включая обнаружение мошенничества и торговлю под управлением ИИ.
Amazon
Amazon не объявила о разработке аппаратного или программного обеспечения для квантовых вычислений. Однако, 2 декабря 2019 года гигант запустил ряд квантовых сервисов Amazon Web Services. К ним относится Amazon Bracket, который позволяет учёным, исследователям и разработчикам начинать эксперименты с квантовыми компьютерами от нескольких поставщиков оборудования. В частности, клиенты могут получить доступ к оборудованию от Rigetti, Ion-Q и D-Wave Systems, что означает, что они могут экспериментировать с системами, основанными на трёх различных технологиях кубитов.
Помимо Bracket, Amazon также запустила лабораторию Amazon Quantum Solutions Lab. Она предназначена, чтобы помочь компаниям «подготовиться к квантовым вычислениям», позволяя им работать с ведущими экспертами. Таким образом, ключевая вещь, которую Amazon делает со своими предложениями по квантовым вычислениям, — это действовать в качестве облачного брокера. То есть стать посредником между производителями квантовых компьютеров и теми, кто захочет воспользоваться их мощностями.
Разработчики программного обеспечения для квантовых компьютеров
Даже лучшее всего оборудованный квантовый компьютер не сможет использоваться без соответствующего программного обеспечения, и многие из производителей этих машин разрабатывают собственное. Тем не менее, количество стороннего ПО под квантовые компьютеры постоянно растет.
1QBit
1QBit сотрудничает с крупными компаниями и «ведущими поставщиками оборудования для решения отраслевых задач в области оптимизации, моделирования и машинного обучения». Компания разрабатывает программное обеспечение как для классических, так и для квантовых процессоров.
Cambridge Quantum Computing разрабатывает ПО для квантовых компьютеров под решения «самых интригующих задач» в таких областях, как квантовая химия, квантовое машинное обучение и квантовая кибербезопасность. В число клиентов входят компании, входящие в «некоторые из крупнейших в мире химических, энергетических, финансовых и материаловедческих организаций», которые пробуют использовать возможности квантовых вычислений.
QC Ware
QC Ware разрабатывает «корпоративное программное обеспечение и услуги для квантовых вычислений» с клиентами, включая Airbus, BMW и Goldman Sachs, и партнерами по оборудованию, включая AWS, D-Wave Systems, Google, IBM, Microsoft и Rigetti.
QSimulate
QSimulate разрабатывает ПО, чтобы «использовать возможности количественного моделирования для решения насущных проблем в фармацевтической и химической областях».
Rahko
Rahko создаёт ПО, которое предназначено для использования квантового машинного обучения (квантового ИИ) под решения задач квантовой химии.
Zapata
Zapata работает со своими клиентами над разработкой ПО для квантовых компьютеров под решения сложных вычислительных задач в таких областях, как химия, финансы, логистика, фармацевтика, машиностроение и материалы.
Пользователи приложений квантовых компьютеров
Приложения для квантовых компьютеров включают молекулярное моделирование (также известное как квантовая химия), оптимизацию логистики, финансовое моделирование, криптографию и обучение искусственного интеллекта. Некоторые крупные предприятия уже активно изучают — что именно квантовые машины смогут сделать для их исследований и разработок, продуктов и услуг, а также их чистой прибыли. Я приведу несколько примеров.
Daimler работает как с IBM, так и с Google, чтобы исследовать, как квантовые компьютеры могут использоваться в логистике, чтобы оптимизировать маршруты доставки автомобилей или поток запчастей через фабрики. Компания также изучает, как квантовые компьютеры можно использовать для моделирования химических структур и реакций внутри батарей, чтобы помочь в усовершенствовании электромобилей.
Другой автомобильный гигант — Volkswagen работает с Google и с D-Wave Systems, чтобы применить квантовые компьютеры в решении проблем оптимизации транспортного потока и в разработке лучших аккумуляторов.
В финансовом секторе, JPMorgan работает с IBM, чтобы изучить, как квантовые компьютеры смогут помочь в разработке торговых стратегий, оптимизации портфеля, ценообразования на активы и анализа рисков. Другой финансовый конгломерат — Barclays участвует в сети IBM Q Network, чтобы выяснить, можно ли использовать квантовые компьютеры для оптимизации расчётов по крупным пакетам финансовых транзакций.
В 2011 году аэрокосмический гигант Lockheed Martin стал первым покупателем квантового компьютера, произведенного D-Wave Systems, и продолжил изучение возможности использования этой технологии для приложений, включая управление воздушным движением и проверку системы. Airbus аналогичным образом исследует, как квантовые компьютеры могут ускорить его исследовательскую деятельность, и вложил средства в компанию QC Ware, производящую программное обеспечение для квантовых машин.
Тем временем Accenture Labs и биотехнологическая компания Biogen сотрудничают с 1QBit, исследуя, как можно ускорить открытие лекарств, применив квантовые компьютеры для молекулярных сравнений. В сентябре 2017 года IBM использовала своё 7-кубитное оборудование для моделирования структуры трёхатомной молекулы гидрида бериллия. В октябре 2017 года Google и Rigetti также анонсировали OpenFermion, программу для моделирования химических процессов на квантовом компьютере.
Квантовое будущее
Я надеюсь, что эта статья продемонстрировала вам, как квантовые вычисления довольно быстро превращаются из фантазий в реальность. Разумно предположить, что в 20-х годах из облака будут доступны квантовые суперкомпьютеры, которым найдут практичное применение и это будет стоить недорого. Вполне возможно, что через десять лет основные службы интернет-поиска и облачного ИИ будут использовать возможности квантовых машин, а большинство пользователей этого и не осознают.
Для тех, кто хочет узнать больше, приведу несколько избранных источников для получения дополнительной информации:
Что может квантовый компьютер
Квантовая физика родилась в 1900 году, когда Макс Планк предположил, что энергия поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Его идея получила дальнейшее развитие: фотоэлектрический эффект Эйнштейна, теория атома Бора, Резерфорд опытным путем показал, как выглядит ядро атома, Луи де Бройль стер границу между волнами и материей, Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику.
Квантовую физику тяжело понять — её математический аппарат почти невозможно перевести на «человеческий» язык. Но «потрогать» её проявления в повседневной жизни вполне реально: лазеры, флэшки, компакт-диски, интегральные схемы или графен — все эти технологии появились благодаря квантовой физике. Логично, что ее решили использовать и для вычислений — в квантовых компьютерах.
Квантовые компьютеры кардинально отличаются от обычных: они обрабатывают информацию на порядок быстрее, а памяти у них больше экспоненциально. Уже сейчас экспериментальные образцы решают некоторые задачи быстрее, чем самые мощные суперкомпьютеры. Перспективы от внедрения квантовых компьютеров манят. С их помощью можно создать новые лекарства, композитные материалы прочнее титана и легче пластика, сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре, добиться абсолютной безопасности шифрования или разработать универсальный искусственный интеллект. Но в реальности всё не так радужно. Всё потому, что мы пока не понимаем, что действительно умеет квантовый компьютер.
Анатолий Дымарский (Сколтех) — физик-теоретик, работает в области физики квантовых систем. Анатолий расскажет, чем квантовый компьютер отличается от обычного и что сулят его возможности IT-индустрии.
Как работает обычный компьютер
Чтобы объяснить, что такое квантовый компьютер и как он работает, нужно начать издалека и рассказать, как работает компьютер обычный. Работа обычного компьютера определяется двумя параметрами: памятью, скоростью вычислений.
Память — основная характеристика вычислительной системы. Компьютер умеет читать, писать и обрабатывать информацию, которая хранится в памяти.
Компьютер выполняет простейшие операции: перемножения, вычитания, сложения чисел. Если выполнять эти операции много и быстро, то можно объединить их в программу, которая обрабатывает информацию. Так работают базы данных, поиск или нейронные сети. Здесь важна скорость вычислений или скорость выполнения операций (FLOPS).
Есть еще третий (дополнительный) параметр — детерминизм, общая характеристика для всех вычислительных систем. Означает, что все машины работают по программе, которая однозначна — ноль всегда ноль, а единица это точно единица. Никаких иных толкований не предусмотрено и нет элемента неопределенности.
Неопределенность можно внести только на уровне входных данных, например, случайными числами. Ввод может быть случайным, но программа всегда однозначно обрабатывает все входящие данные.
Как работает квантовый компьютер
Он работает иначе — по интуитивно непонятной логике. Как и обычный, он проводит вычисления, но в его основе лежат законы квантовой механики.
Классический мир и классическая механика детерминистичны. Это значит, что значение любого регистра памяти в компьютере всегда 0 или 1, а тарелка всегда либо целая, либо разбита.
В квантово-механической системе нет такой четкости, а есть вероятность, которая определяет ее суть. Правильный вопрос здесь — какова вероятность, что тарелки разбились или целы, какова вероятность, что значения регистра 0 или 1?
Вероятность — первое важное понятие в квантовой механике. С точки зрения квантовой механики «тарелки Шредингера» одновременно и целые, и разбитые. Есть некая вероятность того, что они целые, и некоторая вероятность, что разбитые. Эта неопределенность и отражает реальный физический мир.
На классическом уровне неопределенность маскирует наше незнание. Например, когда мы покупаем лотерейный билет «Спортлото», для нас появляется вероятность выиграть, потому что мы не знаем выигрышный номер.
Для классической физики лотерея — это не вероятностный процесс. Всегда можно описать движение руки, которая запускает барабан, скорость и траекторию каждого шарика. Теоретически, можно угадать выигрышный номер (хотя практически — сложно). В квантовой механике даже теоретически нельзя угадать, что произойдет в следующую секунду. Мы можем только предсказать это с точки зрения вероятности.
Второе понятие — принцип суперпозиции. Обычный бит находится только в значениях 0 или 1. В квантовых компьютерах нет обычных битов, а есть квантовые — кубиты. Квантовый бит находится в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Кубит может находиться одновременно в этих состояниях, притом в разных комбинациях — в суперпозиции этих состояний.
Когда система (кубит) находится одновременно в состоянии 0 или 1, можно говорить только о вероятностях. Если состояний много, система одновременно находится во всех возможных состояниях, но с меньшей вероятностью для каждого. Это принципиально важно.
В классической программе в каждый конкретный момент времени каждая строка программы работает с определенной ячейкой памяти. В квантовой механике можно работать со всеми ячейками памяти одновременно.
«Память» квантового компьютера
В чем основная разница между квантовой и классической памятью компьютера? В обычном компьютере мы записываем числа в двоичном коде. Например, число 8 в двоичной системе выглядит как 00001000, и для его записи достаточно 4 битов.
В квантовых компьютерах кубиты находятся в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Вероятность — это число. Чтобы записать одно число с бесконечной точностью, нужно бесконечное количество битов. Поэтому, в теории, один кубит — это физическая система с бесконечным количеством памяти.
На практике у методов измерения ограниченная точность. Будем считать, что она соответствует обычной машинной (float). Получается, что кубит содержит два числа: вероятности, что кубит в состоянии 0 и в состоянии 1.
Примечание: для упрощения мы игнорируем, что сумма вероятностей кубита в состоянии 0 и 1 должна равняться единице. Основной вывод не зависит от упрощения.
Один кубит соответствует двум вещественным числам (float). Это большой выигрыш, потому что для двух вещественных чисел на обычном компьютере нужно два машинных слова — 128 обычных битов, а мы обошлись одним квантовым. Может показаться, что квантовый компьютер в 128 раз лучше обычного. Но это не так.
Квантовый компьютер экспоненциально лучше обычного.
Один кубит это 2 вещественных числа. Два кубита — 4 вещественных числа. Но восемь кубитов это 256 потенциальных конфигураций восьми нулей и единиц — два в восьмой степени.
Для одного кубита выигрыш в 128 раз, а для восьми кубитов он существенно больше — 256*128. Система n кубитов в памяти эквивалентна 
вещественных чисел.
Емкость квантовой памяти растет в геометрической прогрессии.
Память обычного ноутбука эквивалентна 15 кубитам, 40 кубитов равны памяти самых мощных вычислительных центров, а 50-60 кубитов превышают суммарную память всех вычислительных центров всего мира.
Три-четыре кубита эквивалентны увеличению обычной классической памяти в 10-20 раз. Квантовая память значительно более емкая, чем любые другие классические способы записи информации. В этом главный потенциал квантовых вычислений.
Но экспоненциальный рост емкости квантовой памяти вызывает проблему размерности. Из-за проклятия размерности сложно описать такую квантовую систему на классическом компьютере — требуется все больше и больше памяти.
Какие задачи может решить квантовый компьютер
Если квантовый мир работает на уровне неопределенности, как вообще возможно что-то посчитать? У квантовой механики вероятностная природа, а нам нужен точный ответ. Как все будет работать, если нужно просто перемножить два числа?
Объясню на примере задач класса NP, то есть задач разрешимости, решение которых невозможно найти за полиномиальное время — во всяком случае, в предположении 
. Однако, правильность решения за полиномиальное время проверить можно. Это похоже на взлом закрытого замка: мы не умеем пользоваться отмычками, но можем быстро проверить любой ключ, если он есть.
Благодаря принципу суперпозиции квантовая система находится сразу во всех состояниях и ищет лучший вариант. Однозначного ответа система не дает, но повышает вероятность того, что лучший вариант является решением. Когда система остановится на каком-то решении, мы сможем довольно быстро проверить его на правильность.
Если окажется, что ответ неверен, запустим квантовый компьютер еще раз. Вероятность получения правильного ответа больше 50%, а часто гораздо больше. Значит, за 2-4 запуска квантового алгоритма мы получим правильный ответ.
У нас не будет однозначного ответа, а только вероятность получить правильный ответ. Но эта вероятность весьма высока. Фактически, мы гадаем, но не на кофейной гуще, а на научной. За несколько итераций мы найдем ответ и проверим, что он правильный.
Параметры квантового компьютера
У классического компьютера два параметра качества: объем памяти и количество операций. С обычным компьютером мы по умолчанию предполагаем, что у нас есть доступ ко всем ячейкам памяти для записи и чтения.
В квантовом случае есть три параметра.
Объем памяти или количество кубит. Чем больше памяти, тем лучше? Для квантового компьютера нет — когда мы увеличиваем количество кубит, растет сложность квантовой системы. Систему становится тяжело поддерживать в изолированном состоянии.
Время работы или количество последовательных операций (когерентность). Систему обязательно требуется поддерживать в изолированном состоянии — в физике это называется когерентность. Если позволить квантовой системе взаимодействовать с окружающей средой, то это разрушит состояние ячеек квантовой памяти. Вместо нулей и единиц будет просто шум.
Мы пытаемся поддерживать систему изолированной как можно дольше. Но чем больше квантовых операций проводим, тем больше времени на них уходит, а значит все сложнее поддерживать систему в изолированном состоянии.
Примечание: здесь количество операций не в секунду, а за все время работы системы.
Возникает парадокс: чем больше кубитов, тем меньше операций доступно. Поэтому время, в течении которого можно держать систему изолированной и произвести некоторое количество операций, это важный параметр.
Представьте обычный компьютер, в котором нет охлаждения. Пока компьютер не перегреется, у него есть время что-то посчитать, а потом он отключается. Примерно то же самое происходит в квантовом компьютере. В нем нет «вентилятора»: чем больше работает, тем больше нагревается, пока не разрушится. Поэтому есть ограничение на количество операций.
Универсальность. В классическом компьютере доступны любые операции: умножение, деление, вычитание. Теоретически, в квантовом тоже. Но на практике, существенно проще проводить операции только с соседними кубитами, которые расположены на прямой, в прямоугольном или квадратном массиве. Для работы со всеми кубитами требуется очень сложная архитектура — на практике пока так не умеют.
Все три направления конфликтуют друг с другом. Мы можем улучшить одно, но это произойдет за счет ухудшения двух других. Сейчас, когда технология в зачаточном состоянии, можно выделить несколько прототипных платформ, и каждая из них пытается улучшить показатели одного направления за счет двух других.
Прототипы
Выделю три прототипа, над которыми работают крупные компании. Google, IBM, Intel, Microsoft вкладываются в развитие квантовых компьютеров. Все вместе они вложили больше 500 млн долларов в разработку, лаборатории и исследовательские центры.
Первые классические компьютеры занимали целые комнаты, работали на вакуумных лампах и так нагревались, что для них требовалось отдельное мощное охлаждение. Квантовые компьютеры на них очень похожи — это шкафы высотой по 3 метра, большую часть которых занимают системы охлаждения. Компьютеры охлаждают до температуры близкой к абсолютному нулю, чтобы квантовые системы могли выполнять свои вычислительные функции.
Универсальные квантовые компьютеры
Это универсальные машины от Google и IBM с памятью примерно 20 кубит. Они выполняют любые операции, потому что полная универсальность доступна с относительно небольшим числом кубитов, дальше возникает практическое ограничение. Возможно, через год люди научатся работать с 30-40 кубитами.
Универсальные квантовые компьютеры способны реализовать произвольные квантовые алгоритмы, например, алгоритмы Шора и Гровера.
Современная криптография основана на разложении чисел на простые множители. В настоящее время неизвестно, существует ли полиномиальный не квантовый алгоритм для задачи факторизации. Однако 25 лет назад Питер Шор опубликовал статью, в которой объяснил, как квантовый компьютер может разложить очень большое целое число на простые множители.
Квантовый алгоритм компьютера работает не детерминистически, а угадывает простые множители с вероятностью правильного ответа больше 50% и находит простые множители экспоненциально быстрее, чем обычный.
С распространением квантовых компьютеров все современные методы шифрования окажутся уязвимы, и это основная мотивация в разработке квантовых алгоритмов последние 25 лет. Но пока применить метод Шора пока сложно, потому что алгоритм требует большой квантовый компьютер. Маленькие решают задачу только для небольших чисел.
Другим примером, демонстрирующим потенциал квантовых вычислений, является Алгоритм Гровера для задачи перебора или поиска решения уравнения 
, где 
какая-то сложная функция.
Кроме упомянутых выше алгоритмов Шора и Гравера есть большое количество других квантовых алгоритмов. Любая физическая система хочет перейти в состояние равновесия — квантовая не исключение. С научной точки зрения правильнее говорить не о равновесии, а об основном состоянии системы. Классический аналог — состояние покоя. Система всегда стремится перейти в состояние покоя с минимальной энергией. В терминах вычислительных задач — это оптимизационная задача минимизации энергии. Квантовый компьютер как раз может решать подобные задачи.
Вся область применимости квантовых алгоритмов и компьютеров пока не понятна. Но уже есть десятки различных оптимизационных задач, с которыми квантовые компьютеры и алгоритмы могут справиться, и находятся новые.
Квантовые симуляторы ограниченной универсальности
Это другое направление: универсальность ограничивается, но поддерживается изоляция (когерентность). Это компьютеры на рубеже в 50-70 кубитов, что в смысле памяти уже больше, чем любой суперкомпьютер.
На этой границе возможности специализированного квантового компьютера превосходят возможности классического — возникает квантовое превосходство. Это значит, что квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи, на которые у обычных (даже суперкомпьютеров) уйдут десятки, сотни или тысячи лет.
В октябре 2019 Google заявил, что достиг квантового превосходства. Новость появилась во всех ведущих газетах и журналах, соответствующая научная статья была опубликована в Nature. Тематические статьи выпустили многие газеты, даже New York Times и Wall Street Journal, которые далеки от науки.
В реальности Google разработал квантовый процессор с ограниченной универсальностью. У него достаточно большое количество кубитов, и он может выполнять некоторые узкие задачи лучше, чем любой классический компьютер. Другой вопрос, что это очень узкие и искусственные задачи.
Некогерентные процессоры с числом кубитов от 2 тысяч
Если забыть про универсальность и когерентность, можно добавлять 2 или даже 3-4 тысячи кубитов. Этим направлением занимается компания D-Wave из Канады. У них есть процессоры с тысячей кубитов, но без когерентности.
Возможные области применения квантовых компьютеров
Одна большая потенциальная область применения — это криптография. Вторая — оптимизационные задачи, которые возникают в самых разных областях.
Наука. Квантовые вычисления могут помочь предсказывать поведение элементарных частиц, моделировать молекулы ДНК или разрабатывать новые лекарственные препараты. Например, квантовые вычисления пытаются применять в фармакологии. Для этого нужно понимать, какую форму принимают разные протеины (про которые можно думать, как про микроскопические квантовые объекты). Мы не знаем, как они себя будут вести, но самый простой способ это понять — симулировать их поведение на квантовом компьютере. У этой научной задачи огромный бизнес-потенциал: новые лекарства, добавки, антибиотики.
Новые материалы. В науке о материалах главное — понять взаимодействие атомов, что можно смоделировать на квантовых компьютерах. Это тоже научная задача, но создав новый материал, его уже можно продавать.
Машинное обучение и искусственный интеллект. Машинное обучение — сложный процесс, который требует огромного количества вычислений. Пока здесь нет практической пользы от квантовых компьютеров, потому что они сейчас не на том уровне развития. Но в перспективе, квантовые компьютеры могут ускорить стандартные алгоритмы. В некоторых случаях это выглядит революционно, потому что можно в десятки раз сократить время обучения нейросети.
Транспорт, энергетика, логистика. В этих сферах много оптимизационных задач. Например, в энергетике главная проблема — распределение электрической энергии по стране. Цена на электричество в разных регионах отличается, при этом во время передачи часть энергии теряется, а с ней и прибыль. Чтобы заработать больше денег, бизнес пытается оптимизировать передачу. Это одна из тех задач, которая находится в классе NP. Сложно найти правильное решение, но квантовый компьютер может помочь.
Бизнес-приложения. В бизнесе квантовыми вычислениями занимаются только большие компании, корпорации. У гигантов есть деньги и ресурсы, например, у Google, D-Wave или IBM (лидер области с большими наработками).
На сайте компании D-Wave написано, что уже в 150 бизнес-приложениях используются квантовые вычисления. IBM выпустил брошюру, в которой обсуждается, что можно сделать с помощью квантового компьютера. Это десятки различных индустрий и потенциально сотни бизнес-решений. Так все выглядит на бумаге.
В реальности все немного иначе. Развитие технологий сейчас пока не на том уровне, чтобы применять их на практике.
Что значит квантовая революция для IT-индустрии
Пока что ничего. Мы находимся в так называемой эре NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum technology. Это значит, что сейчас нет таких квантовых устройств, которые могли бы соперничать с классическими компьютерами. Пока нельзя создать квантовую систему, которая по всем параметрам превзойдет классическую: достаточно небольшую, универсальную и изолированную. Пока получаются только системы, которые выполняют узкоспециальные задачи определенного сорта лучше, чем вычислительный кластер. Квантовые технологии пока непрактичны. Хотелось бы использовать этот огромный потенциал для своих ежедневных задач, но неизвестно, как это сделать.
У квантовых технологий огромный «подрывной потенциал». Если научиться хорошо решать хотя бы одну из оптимизационных задач, о которых говорилось выше, это изменит одну конкретную индустрию, как минимум. Надеюсь, что через 5-10 лет в некоторых направлениях ситуация изменится.
Многие компании создают прообразы настоящих квантовых компьютеров — они уже что-то умеют делать, но пока этого недостаточно.
В Сколтехе мы пытаемся ответить на главный вопрос — как и для чего можно использовать квантовый компьютер. С моими коллегами Владимиром Антоновым и Олегом Астафьевым трудимся над проектом, в рамках которого работаем над маленьким квантовым компьютером. К сожалению, часть архитектурных и дизайнерских вопросов еще не решены, потому что мы все еще не уверены, какие именно задачи должен будет решать этот компьютер. Если этот вопрос вам интересен, приглашаю его обсудить.
То, с каким интересом участники HighLoad++ восприняли доклад о квантовых компьютерах и АЭС, натолкнуло нас на мысль уделить большее внимание подобным темам на наших конференциях. Поэтому на РИТ++ в мае в онлайне у нас будут секции научпопа и применения IT в смежных областях. И это только малая часть новинок фестиваля «Российские интернет-технологии» — подробнее смотрите на сайте и в рассылке.