Квантовое превосходство . Как квантовая компьютерная революция изменит всё

О потенциальном влиянии и преобразующей силе квантовых вычислений для будущего технологий и общества.

Партнёрский материал MakeRight

Квантовые компьютеры используют для вычисления процессы квантовой природы, и потому по мощности легко могут легко превзойти любой суперкомпьютер на транзисторах. Их появление означает приход новой эры. И дело не только в мощности таких компьютеров, но и в способности решать задачи, непосильные для современных цифровых машин, даже если бы у них в запасе была целая вечность. Цифровые компьютеры оперируют только последовательностями 0 и 1, слишком грубыми для многих тонких задач.

В своей книге Митио Каку, знаменитый физик и автор бестселлеров, рассказывает о том, как новые технологии смогут использовать загадочные эффекты квантовой теории, в том числе существование частиц сразу в нескольких состояниях одновременно и мгновенную передачу информации на огромные расстояния. Квантовая механика описывает реальность, которая бросает вызов нашему традиционному пониманию физического мира. И квантовые компьютеры будут использовать возможности этой невидимой нам реальности.

Конкурирующие компьютерные гиганты соперничают друг с другом за создание самого мощного квантового компьютера в мире. Так, Google в 2019 году создала квантовый компьютер Sycamore, и утверждала, что он за 200 секунд может справиться с такой математической задачей, на которую у цифрового суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет. Институт квантовых инноваций при Китайской академии наук утверждал, что их квантовый компьютер, созданный в 2020 году, в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Лидирующую позицию занял квантовый компьютер Eagle от IBM (2021), с еще большей вычислительной мощностью, чем его предшественники. Ведущие мировые корпорации инвестируют в новую технологию, работая над собственными прототипами, чтобы идти в ногу со временем. Правительства разных стран финансируют исследования в этой области и создают национальные исследовательские центры для работы с квантовыми компьютерами.

Вся наша жизнь так или иначе связана с компьютерами и цифровыми технологиями. В финансовой сфере компьютеры отслеживают транзакции, инженеры-проектировщики применяют компьютеры при создании ракет, небоскребов и мостов. В кино используется компьютерная анимация, фармацевтическая промышленность с помощью компьютеров работает над созданием новых лекарств. Почти невозможно найти часть человеческой жизни, далекой от использования компьютеров. И теперь, когда квантовые компьютеры вот-вот войдут в нашу жизнь, это будет означать приход новой эры.

По закону Мура мощность компьютера удваивается каждые 18 месяцев. Современный смартфон превосходит по мощности компьютеры Пентагона времен холодной войны. Предыдущие технологии устаревают в процессе созидательного разрушения. Митио Каку считает, что закон Мура вскоре перестанет работать, потому что микрочипы уже некуда уменьшать: меньший размер приведет к расплавлению чипа или короткому замыканию. Это означает, что эпоха кремния заканчивается, наступает квантовая эра со всеми ее невероятными возможностями.

Идея 1 . И первый древний прообраз компьютера, и современный квантовый компьютер способны моделировать окружающий мир

В 1901 году дайверы подняли с морского дна возле греческого острова Антикитер странный механизм с шестеренками, колесиками и надписями, изготовленный, как выяснилось, между 150 и 100 годами до нашей эры. В 2008 году с помощью рентгеновской томографии и сканирования поверхности с высоким разрешением было установлено, что это древний прообраз современного компьютера, вершина научных знаний древнего мира.

Поворот рукоятки приводил бронзовые колеса и шестеренки в движение. Один набор шестеренок рассчитывал движение Луны и Солнца, другой предсказывал приход следующего солнечного затмения. Надписи на устройстве обозначали движение Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. Возможно, часть, отображающая движение планет в космосе, была утрачена. Древний аналоговый компьютер мог производить вычисления при помощи непрерывных механических движений. Это была попытка смоделировать космос. Можно сказать, что антикитерский механизм — это начало моделирования окружающего мира, а квантовый компьютер — высшая стадия его эволюции.

Обычная физика объясняет видимые законы мира. Квантовая физика исследует мир на уровне космоса и самых малых частиц. Квантовый компьютер для передачи и обработки данных использует квантовую механику, в частности, такие загадочные явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность. Он, в отличие от обычного, оперирует не битами со значениями либо 0, либо 1, а кубитами, которые могут иметь одновременно оба значения, и 0, и 1. В этом его квантовое превосходство над цифровыми компьютерами. Кубит — это наименьшая единица информации в квантовом компьютере, предназначенная для квантовых вычислений.

Если классический процессор в каждый момент может находиться только в одном базисном состоянии, то квантовый процессор находится одновременно во всех. Это называется квантовой суперпозицией. Для вычисления квантовый компьютер использует не классические, а квантовые алгоритмы, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность, при которой кубиты могут быть запутаны друг с другом. Квантовая запутанность может быть у двух и более кубитов, между которыми существует особая корреляция.

Одну из первых моделей квантового компьютера предложил Ричард Фейнман в 1981 году, один из самых известных физиков ХХ века. Именно он заложил основу для квантовой электродинамики — теории взаимодействия электронов с фотонами. Фейнман заметил, что компьютеры со временем становятся все меньше и меньше, и высказал предположение, кто когда-нибудь транзисторы станут размерами с атом. Он считал, что будущее принадлежит крошечным машинам, в которых можно расположить атомы по своему усмотрению.

Еще в школе учитель познакомил Фейнмана с принципом наименьшего действия, который позволял по-новому взглянуть на классическую физику. Катящийся по склону мяч может двигаться вниз бесконечным множеством способов, но путь, которым он движется, только один. Почему он катится именно по нему?

Продолжение — на MakeRight

Оформите подписку на MakeRight и получите доступ к этому и ещё 700 пересказам нонфикшен-книг. Почти все пересказы озвучены, их можно скачать и слушать фоном. Фрагмент озвучки:

Квантовый прорыв: Россия догоняет мировых лидеров

Квантовые компьютеры — вычислительные устройства, которые используют явления квантовой механики для обработки данных. Они способны решать те задачи, с которыми не справляются даже самые мощные суперкомпьютеры. В этой области активно работают такие гиганты ИТ-индустрии, как IBM, Microsoft, Google и Intel. А как обстоят дела в России?

16 кубитов — новый рекорд России

В понедельник на Форуме будущих технологий в Москве был представлен 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. Его продемонстрировали Президенту России Владимиру Путину. На этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы.

Вы мне сейчас показали квантовый компьютер. Впечатляет, конечно. Особенно, когда вы показывали, что вычисления в обычном режиме, на современных суперкомпьютерах занимали бы чуть ли не столетия, а на квантовых результат достигается за часы или дни

Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году при координации Росатома. Над ним работали ученые из Российского квантового центра и физического института им. И. П. Лебедева РАН.

20 кубитов — следующая цель

В области производства квантовых компьютеров Россия не собирается останавливаться на достигнутом. Уже до конца 2023 года в России может появиться 20-кубитный квантовый компьютер.

Все идет в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года. Пока все идет хорошо

— вице-премьер РФ Дмитрий Чернышенко.

Что такое кубит и зачем он нужен

Кубит — квантовый бит, наименьшая единица хранения информации в квантовом компьютере. В отличие от обычного бита, который может принимать значение либо 0, либо 1, кубит может существовать одновременно в обоих состояниях. Это называется квантовой суперпозицией.

Благодаря этому свойству квантовые компьютеры могут обрабатывать все возможные комбинации данных одновременно, а не последовательно, как классические компьютеры. Это дает им существенное преимущество в скорости и эффективности вычислений.

Кроме того, кубиты могут быть связаны друг с другом таким образом, что изменение состояния одного кубита влияет на состояние другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Это явление называется квантовой запутанностью.

С помощью квантовой запутанности можно создавать сложные алгоритмы, которые решают задачи, недоступные для классических компьютеров. Например, такие задачи как факторизация больших чисел, поиск по базам данных, оптимизация расписаний и маршрутов, моделирование химических и биологических систем.

Кто лидирует в мире

В мире существует несколько компаний и организаций, которые занимаются разработкой и производством квантовых компьютеров. Среди них можно выделить следующих лидеров:

IBM — американская компания, которая предлагает доступ к своим квантовым компьютерам через облачный сервис IBM Q. На данный момент самый мощный компьютер IBM имеет 65 кубитов.

Google — американская компания, которая в 2019 году заявила о достижении квантового превосходства на своем 53-кубитном компьютере Sycamore. Однако это утверждение было оспорено IBM.

Intel — американская компания, которая разрабатывает квантовые процессоры на основе сверхпроводников и ионных ловушек. В 2018 году Intel представила 49-кубитный процессор Tangle Lake.

Microsoft — американская компания, которая работает над созданием топологического квантового компьютера, который должен быть более устойчивым к шумам и ошибкам, чем другие типы квантовых компьютеров. В 2022 году Microsoft объявила о научном прорыве в области топологических кубитов, которые являются основой для их квантовой машины. Microsoft также предлагает бесплатный предварительный просмотр своего квантового набора инструментов для разработки, который позволяет программировать квантовые алгоритмы на языке Q# и запускать их на различных квантовых платформах.

Как Россия догоняет мировых лидеров

Россия не отстает от мирового сообщества в области квантовых вычислений. Российские ученые и инженеры работают над созданием собственных квантовых компьютеров на основе сверхпроводниковых кубитов, которые являются наиболее распространенными в мире. Сверхпроводниковые кубиты состоят из электрических цепей, которые при очень низких температурах ведут себя как квантовые частицы.

В 2020 году Росатом запустил первый в стране центр квантовых вычислений, который предоставляет доступ к 5-кубитному квантовому компьютеру через интернет. Целью центра является развитие и тестирование квантовых алгоритмов для решения прикладных задач в области энергетики, медицины, логистики и других отраслях.

В 2021 году Росатом представил 10-кубитный квантовый компьютер, который был разработан совместно с физическим институтом им. И. П. Лебедева РАН и Российским квантовым центром. Этот компьютер был использован для моделирования свойств материалов и оптимизации химических реакций.

Квантовые вычисления — перспективная и динамичная область науки и технологии, которая открывает новые возможности для решения сложных задач в разных сферах жизни. Россия активно развивает свои квантовые компьютеры и догоняет мировых лидеров, таких как IBM, Google, Intel и Microsoft. Российские квантовые компьютеры основаны на сверхпроводниковых кубитах, которые являются наиболее распространенными в мире. Росатом является главным координатором и спонсором проекта по созданию квантовых компьютеров в России. Росатом сотрудничает с ведущими научными организациями, такими как физический институт им. И. П. Лебедева РАН и Российский квантовый центр. Росатом также предоставляет доступ к своим квантовым компьютерам через интернет для разработки и тестирования квантовых алгоритмов. В 2023 году Росатом представил 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. К концу года Росатом планирует показать 20-кубитный квантовый компьютер, который будет еще одним шагом в сторону достижения квантового превосходства.

Использованы фотографии: industry-hunter.com

IBM анонсировала создание самого мощного квантового компьютера

Американская корпорация IBM анонсировала планы построить самый мощный квантовый компьютер. Об этом сообщает издание MIT Technology Review.

Представители компании рассказали о своих планах на саммите G7 в Хиросиме, Япония. По словам инженеров, в течение 10 лет они должны создать вычислительную машину на 100 тысяч кубитов. Новое устройство позволит вывести квантовые вычисления в область полномасштабных операций, где технологии потенциально смогут решать задачи, перед которыми бессильны обычные суперкомпьютеры.

IBM будет сотрудничать с Токийским и Чикагским университетами. Корпорация выделит на проект 100 миллионов долларов. «Я называю это квантово-ориентированными суперкомпьютерами», — описал квантовый компьютер будущего вице-президент IBM по квантовым вычислениям Джей Гамбетта.

Также в разговоре с MIT Technology Review представители IBM подчеркнули, что даже крупные инвестиции в размере 100 миллионов долларов не гарантируют успеха. «Определенно есть риск», — признал Гамбетта.

Материалы по теме:

Microsoft представила Windows 11: новый дизайн, Android-приложения и «легкие» обновления
24 июня 2021

Нам бы их проблемы Смартфон-рулон, умный унитаз и датчик мочевого пузыря: самые странные изобретения 2021 года

17 января 2021

По словам авторов медиа, IBM не первая, кто запланировал создание «самого мощного квантового компьютера». Ранее в Google заявили, что намерены создать компьютер на миллион кубитов, однако непосредственно для вычислений будет выделено всего 10 тысяч кубитов.

В конце февраля ученые из Массачусетского технологического института (США) предложили новый способ передачи данных и охлаждения квантовых компьютеров. Специалисты разместили компьютер в холодильной камере и настроили связь с ним по беспроводному протоколу.

При подготовке материала использовались источники:
https://briefly.ru/kaku/kvantovoe_prevoskhodstvo_kak_kvantovaia_kompiutern/
https://vsluh.net/2188-kvantovyj-proryv-rossija-dogonjaet-mirovyh-liderov.html
https://lenta.ru/news/2023/05/26/quantum/