Четыре десятилетия назад физики выдвинули теорию о том, что поразительные законы квантовой физики можно использовать для создания нового типа компьютеров, мощность которых превосходит мощность традиционных машин в геометрической прогрессии. Серия прорывных открытий сегодня приблизила «квантовую полезность» к реальности. Ведётся гонка за созданием машин, достаточно точных, чтобы достоверно моделировать поведение сложных явлений реального мира и обеспечить прорыв в таких разнообразных областях, как разработка лекарств, финансовое моделирование и искусственный интеллект.
В чём привлекательность квантовых компьютеров?
Они способны выполнять задачи, недоступные для классических компьютеров. В 2024 году компания Google сообщила, что её квантовый процессор Willow за пять минут решил задачу, с которой не справились бы даже самые мощные суперкомпьютеры мира, даже если бы они работали над ней с момента зарождения Вселенной.
Экспериментальным квантовым компьютерам обычно ставят задачи, которые поставили бы в тупик обычный компьютер из-за слишком большого количества переменных входных данных. Их наибольший потенциал заключается в моделировании сложных систем, включающих большое количество движущихся частей, характеристики которых меняются при взаимодействии друг с другом. Например, они могут воспроизводить поведение молекул для ускорения разработки новых лекарств или моделировать решения экономических субъектов и финансовых посредников, чтобы повысить точность рыночных прогнозов.
Ожидается, что квантовые компьютеры не найдут широкого применения в трудоемких, но более простых задачах, которые выполняет большинство современных компьютеров, последовательно обрабатывающих относительно ограниченное количество отдельных входных данных в массовом масштабе.
Кто создает квантовые компьютеры?
Компания D-Wave Quantum Inc., основанная в Канаде и имеющая штаб-квартиру в Калифорнии, стала первой, кто начал продавать квантовые компьютеры в 2011 году. International Business Machines Corp., Google (входящая в состав Alphabet Inc.), Amazon Web Services и многочисленные стартапы создали работающие квантовые компьютеры.
Совсем недавно такие компании, как Microsoft Corp., добились прогресса в создании масштабируемых и практичных квантовых суперкомпьютеров. Intel Corp. начал поставлять исследователям кремниевый квантовый чип с транзисторами, известными как кубиты (квантовые биты), которые в 1 миллион раз меньше, чем другие типы кубитов.
Google и IBM, наряду со стартапами Universal Quantum и PsiQuantum Corp., заявляют, что к концу десятилетия они представят работоспособный квантовый суперкомпьютер.
Какие страны лидируют в области квантовых вычислений?
США, Европа и Китай соревнуются за лидерство в квантовой сфере. Правительство Китая создало Национальную лабораторию по наукам о квантовой информации с бюджетом в 10 миллиардов долларов в рамках масштабной программы развития этой области. В июне президент США, Дональд Трамп, подписал два указа, направленных на ускорение развития квантовых технологий и снижение связанных с ними угроз кибербезопасности. Агентство перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) отобрало 11 компаний, которые, по его мнению, смогут создать применимый в промышленности квантовый компьютер к 2033 году, в том числе IBM, канадскую Xanadu Quantum Technologies Inc., британские Quantum Motion Technologies Ltd и Quantinuum Inc., который в июне привлёк 1,7 миллиарда долларов в ходе первичного публичного размещения акций.
Все больше правительств считают квантовые вычисления стратегической технологией. Европейский союз создает фонд в размере 5 млрд евро (5,7 млрд долларов) для поддержки стартапов в области квантовых вычислений и других критически важных отраслей, таких как робототехника, при условии, что штаб-квартиры компаний останутся на территории блока. (Финские и французские «единороги» IQM Quantum Computers и Pasqal Holding SAS отказались от выхода на рынки своих стран и провели публичное размещение акций в США через компании-пустышки.)
В марте Великобритания пообещала в течение следующих четырёх лет выделить более 1 млрд фунтов стерлингов (1,3 млрд долларов) на исследования в области квантовых вычислений. По оценкам отраслевой консалтинговой компании QBN, Европа, включая Великобританию, выделила на развитие этой технологии почти в три раза больше государственных средств, чем США. Япония, Сингапур и Австралия также определили эту область как приоритетную для инвестиций.
Ставки здесь выходят за рамки экономики. Даже до появления работоспособных квантовых компьютеров глобальный военный баланс сил может измениться благодаря достижениям в области квантового зондирования — использования квантовых свойств для проведения чрезвычайно точных измерений — и квантовой навигации, которая может обеспечить более точное наведение на цель и улучшенное обнаружение подводных лодок.
Как работают квантовые компьютеры?
Они используют крошечные схемы для выполнения вычислений, как и традиционные компьютеры. Но они выполняют эти вычисления параллельно, а не последовательно, что и делает их такими быстрыми. Обычные компьютеры обрабатывают информацию в единицах, называемых битами, которые могут представлять одно из двух возможных состояний — 0 или 1 — соответствующих тому, открыта или закрыта часть компьютерного чипа, называемая логическим элементом. Прежде чем традиционный компьютер перейдёт к обработке следующего фрагмента информации, он должен присвоить предыдущему фрагменту значение.
В отличие от этого, благодаря «вероятностной» природе квантовой механики, кубитам в квантовых компьютерах не нужно присваивать значение до тех пор, пока компьютер не завершит все вычисления. Это называется «суперпозицией». Таким образом, если в обычном компьютере три бита могут представлять только одну из восьми возможностей — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 — то квантовый компьютер с тремя кубитами может обрабатывать все их одновременно. Квантовый компьютер с четырьмя кубитами теоретически может обрабатывать в 16 раз больше информации, чем обычный компьютер такого же размера, и его мощность будет удваиваться с каждым добавленным кубитом. Именно поэтому квантовый компьютер может обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классический компьютер.
Как квантовый компьютер выдает результат?
При проектировании стандартного компьютера инженеры тратят много времени на то, чтобы обеспечить независимость состояния каждого бита от состояний всех остальных битов. Однако кубиты находятся в состоянии запутанности, а это означает, что свойства одного кубита зависят от свойств окружающих его кубитов. Это является преимуществом, поскольку информация может передаваться между кубитами быстрее, когда они работают совместно для получения решения. По мере выполнения квантового алгоритма противоречивые (и, следовательно, неверные) результаты, получаемые от кубитов, взаимно гасят друг друга, в то время как совместимые (и, следовательно, вероятные) результаты усиливаются. Это явление, называемое когерентностью, позволяет компьютеру выдать ответ, который он считает наиболее вероятным.
Как создаётся кубит?
Теоретически для создания кубитов можно использовать любое явление, демонстрирующее квантово-механические свойства, которые поддаются контролю. Некоторые учёные создавали кубиты, манипулируя захваченными ионами, импульсами фотонов или спином электронов. Многие кубиты изготавливаются из полупроводников: компании IBM, D-Wave и Google используют крошечные петли из сверхпроводящего провода. В феврале 2025 года компания Microsoft заявила, что создала новый тип сверхпроводника, который, по её утверждению, позволяет получать более стабильные кубиты на основе майоранов — частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Многие из этих подходов требуют очень специфических условий, таких как температуры, более низкие, чем в космическом пространстве.
Ученые подсчитали, что компьютеру потребуются миллионы — если не миллиарды — кубитов для надежного выполнения программ, подходящих для коммерческого использования. В статье исследователей Google, опубликованной в марте, было установлено, что для взлома криптографии, защищающей биткойн, потребуется менее полумиллиона кубитов. Это намного меньше, чем предполагалось ранее, но достижение этого показателя не является неизбежным. Текущий рекорд по количеству соединенных кубитов составляет 6100, достигнутый исследователями из Калифорнийского технологического института в сентябре.
Точность и стабильность также важны, но главная проблема — это объединение достаточного количества кубитов. По мере увеличения размеров компьютера он выделяет больше тепла, что повышает вероятность выхода кубитов из состояния когерентности. Чип Willow от Google был признан прорывом, поскольку частота ошибок снижалась даже при объединении большего количества кубитов.
Так станут ли квантовые компьютеры массовыми?
Ученые уже решают задачи на машинах с более чем 100 кубитами через облачную платформу IBM Quantum Platform, которую может опробовать и широкая общественность (если, конечно, вы умеете разрабатывать квантовый код). Генеральный директор IBM, Арвинд Кришна, утверждает, что сочетание квантовых компьютеров его компании с алгоритмическими методами позволяет моделировать белковые комплексы, которые невозможно смоделировать никаким иным способом. В сентябре исследователи из HSBC сообщили, что с помощью одной из таких машин им удалось на треть повысить точность прогнозов вероятности торговли облигациями по заданной цене. Ученые ставят перед собой цель создать в течение следующего десятилетия так называемый «универсальный» квантовый компьютер, пригодный для коммерческого применения.
Есть ли какие-то минусы?
Одним из потенциальных недостатков огромной вычислительной мощности квантовых компьютеров является то, насколько легко они могут взломать классические системы шифрования. Пожалуй, лучшим показателем того, насколько мы близки к повсеместному внедрению квантовых вычислений, является то, что правительства принимают директивы, а компании вкладывают миллионы долларов в защиту существующих вычислительных систем от взлома квантовыми машинами.
Добавить комментарий