Концепція квантових обчислень вже десятки років хвилює вчених, але досі залишається дещо незвіданою територією. Багато хто вважає, що вона може стати ключем до розв'язання проблем з якими не можуть впоратися сучасні комп'ютери. Вона також може значно прискорити виконання високопродуктивних обчислювальних завдань. У цьому дописі йдеться про сучасний стан цієї технології та її можливі перспективи.
Що таке квантові обчислення
Квантові обчислення використовують квантово-механічні явища — суперпозицію та заплутаність — для обробки інформації. Спираючись на ці явища, квантові комп'ютери обробляють інформацію принципово інакше, ніж традиційні комп'ютери, такі як смартфони, ноутбуки чи навіть найпотужніші сучасні суперкомп'ютери. Це робить їх набагато ефективнішими та відкриває можливість виконувати складні завдання за значно менший час.
Як працюють квантові комп'ютери?
Квантові комп'ютери обробляють інформацію інакше, ніж традиційні комп'ютери. Замість транзисторів, які можуть одночасно представляти тільки «1» або «0» двійкової інформації, квантові комп'ютери використовують кубіти, які можуть одночасно представляти і 0 і 1.
Швидкість обробки квантового комп'ютера зростає експоненціально відповідно до кількості квантових бітів, які є пов'язаними (з'єднаними між собою). Це відрізняється від традиційної комп'ютерної системи, швидкість обробки якої зростає прямо пропорційно до кількості транзисторів.
Хоча квантові комп'ютери можуть перевершувати традиційні комп'ютери, у багатьох видах обчислень вони не дають значної переваги. Тому більшість повсякденних обчислень, ймовірно, краще виконувати на звичайних комп'ютерах.
Для чого використовуються квантові комп'ютери?
Від моделювання нових і більш ефективних матеріалів до прогнозування змін погоди — наслідки для бізнесу можуть бути колосальними. Ось п'ять напрямків застосування квантових обчислень, які зараз досліджуються:
- Прогнозування погоди. Існує безліч способів прояву погодних явищ, і традиційні комп'ютери не здатні опрацювати всі дані, необхідні для точного прогнозу. Квантові комп'ютери можуть моделювати, як незліченні фактори навколишнього середовища поєднуються, щоб спричинити сильну бурю, ураган або спеку. Квантові комп'ютери здатні аналізувати практично всі відповідні дані одночасно, тому вони можуть генерувати прогнози, які є набагато точнішими за сучасні прогнози погоди.
- Допомога у розв'язання "задачі комівояжера". Комівояжеру надається список міст, які він має відвідати, та відстань між кожним містом. Він повинен скласти маршрут, який заощадить найбільше часу та коштів. У масштабах великої транснаціональної корпорації, або, наприклад авіакомпанії, яка має справу з сотнями напрямків, декількома тисячами літаків та суворими термінами, така задача комівояжера буде надзвичайно складною. Здатність квантового комп'ютера виконувати багато обчислень одночасно означає, що він може прораховувати всі різні маршрути одночасно, що дозволяє йому знаходити оптимальне рішення набагато швидше, ніж це зробить традиційний комп'ютер.
- Захист конфіденційних даних за допомогою криптографії. Традиційні криптографічні алгоритми є детермінованими: заданий вхідний сигнал завжди дасть однаковий вихідний сигнал. Ризик для користувачів полягає в тому, що хакер може зламати пароль за допомогою так званої атаки грубою силою. Для хакерської атаки методом грубої сили потрібні надзвичайно потужні комп'ютери, щоб досягти значної швидкості, тому це не вважається ризиком для криптографії в найближчому майбутньому, але апаратне забезпечення вдосконалюється. Одним зі способів посилення криптографії є використання алгоритмів, які генерують повністю випадкові та нелогічні паролі, у чому квантові комп'ютери досягають найкращих результатів.
- Розробка нових ліків. Створення нових ліків базується на молекулярному моделюванні, яке полягає у моделюванні взаємодії частинок всередині молекули з метою створення конфігурації, здатної боротися з певною хворобою. Як і слід було очікувати, це вимагає величезних обчислень. Наприклад, моделювання молекули, що складається лише з 70 атомів, зайняло б у традиційного комп'ютера 13 мільярдів років. Квантові комп'ютери могли б безперешкодно моделювати всі найскладніші взаємодії між частинками, що складають молекули, що дозволило б вченим швидко визначати потенційні успішні ліки.
- Створення поліпшених автомобільних акумуляторів. Літій-полімерні та пов'язані з ними технології, що використовуються в сучасних акумуляторах, все ще мають обмежену місткість і швидкість заряджання. Як і в разі пошуку нових ліків, квантові комп'ютери могли б виконувати молекулярні симуляції для пошуку нових матеріалів, що мають кращі властивості для виробництва акумуляторів.
Провідні компанії в галузі квантових обчислень
IBM
У 2016 році IBM стала першою компанією, яка запропонувала хмарний доступ до квантового комп'ютера IBM, що дозволило практично будь-кому отримати доступ до цих раніше недоступних ресурсів. Наразі компанія має понад 20 найпотужніших квантових систем у світі, доступних через її хмарну платформу. У планах IBM — випуск 1000-кубітного чіпа IBM Quantum Condor до кінця 2023 року, який має поліпшення масштабу та виправлення помилок.
D-Wave
D-Wave пропонує хмарний повний набір систем, програмного забезпечення, інструментів для розробників та послуг, що дозволяє підприємствам, урядовим установам, національним лабораторіям та академічним організаціям створювати квантові додатки. D-Wave створює квантові комп'ютерні системи вже понад 20 років і вважається одним із лідерів у галузі квантового обладнання та послуг.
Google
Служба квантових обчислень Google надає віддалений доступ до квантового комп'ютера Google. Науковці з узгодженими проєктами можуть планувати завдання на процесорах Google і виконувати симуляції, користуючись інфраструктурою Google.
Google зробила сенсацію в 2019 році, коли оголосила про досягнення квантової переваги, але зараз заявляє, що до того, як такі комп'ютери стануть корисними, ще далеко. Google прагне створити «корисний квантовий комп'ютер з корекцією помилок» до кінця десятиліття.
Microsoft Azure Quantum
Хмарна платформа Azure від Microsoft пропонує набір ресурсів від інших компаній, що виробляють квантове обладнання. За допомогою Azure Quantum клієнти можуть отримати доступ до квантових ресурсів, що надаються QCI, Honeywell, Toshiba, IONQ та 1Qloud, без високих вкладень та витрат на інфраструктуру, які зазвичай супроводжують обладнання такого типу.
IonQ
IonQ відома тим, що розробила квантову обчислювальну систему на основі вловлених іонів, де кубіти підвішені у вакуумі та маніпулюються лазерними променями. Цей метод відрізняється від більш поширеного підходу, за якого надпровідні кубіти працюють при неймовірно низьких температурах. Квантове обладнання IonQ доступне через платформу Microsoft Azure.
Виклики
З такою делікатною технологією будь-який вид стороннього впливу (наприклад, радіація) або недосконалість, що порушує ретельний баланс кубітів, призводить до їх декогерентності. Простіше кажучи, це означає, що шум і перешкоди вводять випадкові помилки в обчислення, що знижує точність.
Щоб вирішити цю проблему, вчені повинні або виконувати операції швидше – до того, як настане декогеренція, як правило, в мікросекундному масштабі, – або спробувати збільшити час стабільності кубітів, створивши середовище, яке менш піддається інтерференції.
Коли з'являться квантові комп'ютери?
Інфраструктура, необхідна для квантових обчислень, є дуже дорогою і складною. Приватні компанії можуть отримати доступ до квантових ресурсів через хмарні платформи, що пропонуються Microsoft Azure Quantum, Google Quantum Computing Service та IBM. Крім того, D-Wave надає апаратні ресурси великим підприємствам і державним установам, а також онлайн-доступ до своїх послуг.
Для широкої громадськості ця нова технологія все ще залишається недоступною. Технологія та її потенційне застосування в нашому повсякденному житті будуть продовжувати розвиватися впродовж наступних десятиліть.
Квантові обчислення вже починають змінювати галузі промисловості, і багато хто прогнозує, що вони трансформують економіку, національну безпеку, медицину та інші сфери. У міру того, як провідні компанії продовжують впроваджувати інновації, ця технологія стане ще потужнішою та доступнішою, проклавши шлях до незліченних переваг.
Рекомендовані продукти
