Что мы знаем про компьютерные вычисления
В классических вычислениях наличие волны, содержащей электрон в определенном месте, соответствует конкретному значению – нулю или единице. По сути компьютер измеряет «электрон в составе волны», или еще точнее – напряжения конденсатора – в каком конкретно месте на данный момент находится «кучка» электронов. Низкое напряжение конденсатора соответствует значению бита информации «ложь» или ноль, а высокое — «истина» или единица. Так информация, разбитая на биты, хранится внутри классического компьютера. А разрядность операционной системы дает понять, столько вычислений одновременно может осуществлять битовый компьютер.
На пороге апгрейда вычислительных возможностей
У всего есть предел. Так и у электроники становится ощутима недостаточность ее вычислительной мощности и скорости обработки информации, особенно в реалиях растущей роли обработки сложных вычислений и больших объемов данных, генерируемых, например, интернетом вещей.
Технологии не стоят на месте. Вычисления модернизируются. Меняется природа данных. Увеличивается скорость беспроводной передачи данных между устройствами с помощью технологий 5G, оптимизируется их «логистика» в больших компьютерных сетях с помощью вычислений на периферии в узлах компьютерной сети, радиочастотные технологии (RFID) и сети M2M помогают взаимодействовать окружающим нас предметам между собой.
А как ускорить сами вычисления? Большинство вычислительных задач настолько сложные, что для современного классического компьютера они возможны только спустя десяток-другой лет поочередной обработки данных. Однако объемы информации и скорость ее «добычи» растут уже невероятно быстро.
Но на арену выходят квантовые вычисления! Квантовые компьютеры могут достичь скорости обработки информации в 100 млн. раз более быстрой, чем при классических битовых вычислениях!
Квантовые возможности
С помощью квантовых компьютеров сложные медицинские, химические, астрономические и другие открытия можно делать тысячекратно быстрее. Такие компьютеры могут щелкать блокчейн, как орешки, а информационную безопасность возвести бы на абсолютно новый уровень.
Если вдруг вы захотите передать конфиденциальную информацию квантовым способом, вы можете не беспокоиться о надежности квантовой коммуникации, которая гарантирована самой природой и непоколебимыми законами физики.
Вероятностный характер измерений квантовых вычислений лежит в основе поиска в неструктурированной базе данных. Алгоритмы этого поиска увеличивают вероятность получения правильного результата, на выходе. Одно из применений этого свойства – генератор случайных чисел.
Квантовые компьютеры вообще-то могут ещё много всего, например, моделировать термоядерные реакторы, вселенную на всех этапах ее жизненного цикла, исследовать фундаментальные свойства материи или, к примеру, разрабатывать лекарства от рака.
У квантовых вычислений длинная история
… а у практического применения квантовой физики – еще длиннее. У квантовой физики есть два «эволюционных» периода:
Первая квантовая революция произошла в середине прошлого века. Ей присвоены такие события, как появление ядерной энергетики и ядерного оружия. Она позволила нам понять, почему звезды сияют, познать структуру ДНК и вступить в эпоху молекулярной биологии. Она перевернула мир проводников и привела к изобретению полупроводниковой электроники и транзисторов. Нанотехнологии – это тоже продукт первой квантовой революции.
Вторая революция идет сейчас, в ее рамках была успешно реализована квантовая телепортация и изобретены первые квантовые компьютеры.
Так в 1981 на лекции «Моделирование физики на компьютерах» была впервые предложена простейшая модель квантового компьютера.
Годом позднее, в 1982, было введено понятие «Квантовые машины Тьюринга». А Девид Дойч доказал, что их вычислительная мощность может превосходить возможности классических компьютеров.
В 1994 Питер Шор открыл алгоритм быстрой факторизации больших чисел квантовыми компьютерами и показал, что, если бы можно было построить квантовый компьютер, даже маленький, он был бы в состоянии выполнить миллион операций одновременно. Тогда это стало реальным стимулом начать их производить.
Первые квантовые машины появились только в нашем веке. В 2000 году в Мюнхенском техническом университете на свет появился пятикубитный компьютер. А в 2001 алгоритмы Питера Шора были реализованы на успешном образце квантового 7-микубитного компьютера, созданного компанией IBM.
В 2007 компания D-Wave, специализирующаяся на создании квантовых вычислительных машин, представила первый 16-кубитный квантовый компьютер.
Сейчас квантовые компьютеры создают корпорации Intel, IBM, Google.
В их развитие вкладываются сотни миллионов долларов, правительство США даже выделяет часть государственного бюджета для финансирования научных разработок по квантовым вычислениям.
Почему квантовые компьютеры еще не используются в коммерческих целях
От количества кубитов зависит скорость вычислений и мощность квантового компьютера… а также его размер. Размер квантовых компьютеров долгое время был препятствием на пути его коммерциализации, а возможность масштабирования квантовых систем до сих пор является важным вопросом, стоящим перед учеными. Но с этим препятствием шаг за шагом успешно справлялась компания Intel, создавая квантовые чипы с кубитами, работающими по принципу вращения. Например, кремниевые спиновые кубиты, могут поместиться в большом количестве на стандартных подложках, используемых для обычных микропроцессоров.
Есть еще несколько препятствий, мешающих сделать квантовые устройства предметами широкого использования. Одно из них – необходимость критически низких температур для их работы. Для высокой точности вычислений температура должна быть равна абсолютному нулю, в худшем случае – не более одного кельвина (а это ниже, чем минус 272,15 градуса по Цельсию). Контроллеры кубитов не могут работать при таких низких температурах. Перед компаниями стояла задача свести работу устройств, необходимых для квантовых вычислений, к единой температуре, по сути заставить их работать в одном «холодильнике». Intel на шаг приблизила решение этой задачи, создав криогенный контроллер, Horse Ridge, работающий при температуре около 4 градуса по Кельвину. Да, такая температура несколько выше рабочей температуры квантового процессора, но все же достаточная, чтобы устройства находились в рамках одной криогенной системы.
Компания установила для себя высокую планку. Intel создал дорожную карту на следующие 5 лет, согласно которой собирается создать квантовую систему, насчитывающую 1000 кубитов. Это многократно превышает уровень, необходимый для демонстрации квантового превосходства (49 кубитов), которым уже обладает их чип Tangle Lake (квантовая микросхема).
По словам исполнительного директора компании, Майкла Мейберри, приблизительно 50 кубитов является интересным пределом с научной точки зрения. Имеющихся на данный момент у компании вычислительных мощностей недостаточно, чтобы с достаточной точностью предсказать или смоделировать поведение такого устройства. Но даже 50 кубитов будет недостаточно для решения реальных практических задач, требующих миллионов кубитов на одной подложке.
Важно понимать, что квантовые компьютеры не заменят полностью классические. Они быстрее, но не во всем. Это касается только специальных типов вычислений. Операции в квантовом компьютере не выполняются быстрее за счет количества одновременных вычислительных операций. Это применимо только для обработки больших данных и решения сверхсложных задач.
Тем не менее, первый коммерческий квантовый компьютер уже появился. Анонсировала его компания IBM в начале 2019 года. 20-кубитная квантовая система получила название IBM Q System One. Важным моментом работы компьютера является возможность его подключения к облачной системе. Квантовые вычисления будут доступны удаленно. Это был важный шаг на границе экспериментальных образцов и реальных функций, готовых к полноценному использованию квантовых систем в бизнес-целях!
