Квантовые компьютеры в россии и мире: как развивается технология

Квантовые компромиссы

Будем предельно ясными: было бы неточно утверждать, что КК запускает «программы» быстрее, чем ПК или сервер x86. Программа для КК — это совсем другой уровень разработки, который на порядок выше всего того, что когда-либо создавалось для двоичного процессора. Перевод математической задачи, понятной преподавателям колледжа, в двоичную программу и перевод той же задачи в программу для КК так же отличаются друг от друга, как игра «20 вопросов» отличается от бильярда.

Когда вы переходите в область квантовых вычислений, существует несколько фундаментальных компромиссов. Вот один из них, и он пугает сам по себе: 

Решения редко бывают точными или окончательными. КК не является детерминированной машиной; другими словами, для квантовых вычислений не существует единственного верного решения, в следствии чего любой другой результат становится не верным. Вместо этого КК, как правило, будет отображает наборы ответов с их соответствующими вероятностями.

Если это вас не обескураживает, приготовьтесь к следующему:

Устройство на уровне атома, которое фактически выполняет квантовые вычисления, в результате своей работы и по своей природе самоуничтожится по окончанию работы.

Механизм квантовых вычислений заключëн в машину, которая:

• автоматически строит вычислительное устройство из атомов (атомы кальция-хорошие кандидаты);
• поддерживает условия работы этого устройства на протяжении всей его программы;
• применяя программу, позволяет ей выполняться и в тоже время «смотрит» в другую сторону (потому что квантовые логические элементы застенчивы и взорвутся, если кто-нибудь их увидит);
• интерпретирует конечное состояние своих регистров как окончательную таблицу вероятностей результатов;
• сбрасывает себя, чтобы заново перестроить другой механизм.

Нейронаука

Нейроморфные компьютеры, лечение зависимости микрочипами и нейромодуляция эмоций

Пока появление квантовых компьютеров остается отдаленной перспективой, ученые тратят много сил на усовершенствование «обычных» компьютеров. Эксперты предсказывают, что в следующее десятилетие мы увидим бум новых компьютерных архитектур, и одним из наиболее многообещающих направлений считаются нейроморфные компьютеры.

Разработчики вдохновляются устройством человеческого мозга и используют для их создания системы глубинного обучения. Нейроморфные системы будут лучше анализировать неструктурированную информацию, что сможет приблизить человечество к созданию сильного ИИ (AGI) — то есть ИИ, способного мыслить и осознавать себя (именно таким ИИ любят воображать научные фантасты).

В этой сфере особо выделяются китайские ученые из Университета Цинхуа (альма-матер генсека Си Цзиньпина): они первыми представили модель «нейроморфной завершенности» (то есть рабочую модель нейроморфного компьютера) в нескольких статьях для журнала Nature. Они также создали работающий по принципу биологических нейронных сетей чип Tianjic, который уже сейчас можно встраивать в автономные велосипеды.

Но еще интереснее китайские разработки в сфере исследований человеческого мозга. Запад наслышан о нейроимплантах (мозговых компьютерах) компании Neuralink Илона Маска. Но пока Маск экспериментирует на свиньях и обезьянах, в Китае не первый год проходят испытания по взаимодействию нейроимплантов с мозгами реальных людей.

В начале 2000-х годов китайские ученые проводили эксперименты на наркозависимых крысах и макаках-резусах — операции на мозгах этих животных приводили к заметному уменьшению зависимости.

Как отреагировали в IBM?

Фото: IBM

З а пару дней до публикации научного исследования о процессоре Google Sycamore в журнале Nature, на сайте IBM Research Blog появилась статья, в которой сотрудники отдела квантовых вычислений IBM раскритиковали новое изобретение своих конкурентов и написали, что заявления Google о достижении квантового превосходства не соответствуют действительности.

Четверо сотрудников IBM написали, что с учетом оптимизации оборудования и хранения информации не только в оперативной памяти устройства, но и на жестких дисках, их суперкомпьютер Summit сможет провести вычисления, которые провел Sycamore, всего за два с половиной дня, а не за 10 тыс. лет, как об этом заявили в Google.

«У нас есть достаточно доказательств того, что термин „квантовое превосходство“ неверно истолковывается и вызывает серьезную путаницу. Мы призываем людей с большей долей скептицизма рассматривать заявления о том, что впервые квантовый компьютер превзошел вычисления классических компьютеров из-за сложного характера сопоставления соответствующей метрики», — пишут представители IBM.

Конкуренты Google, которые также работают над эффективным квантовым компьютером, напомнили, что квантовые технологии должны оказывать положительное влияние на общество и реализовывать практические решения. Лишь в этом случае можно говорить о «превосходстве» подобных вычислительных систем.

Действительно, задача которую выполнил Sycamore за 200 секунд может быть чрезвычайно сложной и, допустим, даже непреодолимой для классических компьютеров. Но в Google упускают тот факт, что произведенные вычисления имеют лишь технический характер. В теории компьютер Google мог достичь квантового превосходства, поскольку Джон Прескилл, который предложил этот термин в 2012-м, не разделял превосходство квантовых компьютеров над обычными в решении практических или технических задач.

Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Эта цель, вне зависимости от текущих заявлений, пока не была достигнута

По его словам, квантовые технологии будут полезными, когда появятся квантовые вычислительные системы для надежного и воспроизводимого выполнения реальных квантовых алгоритмов и программ. «Тогда мы доберемся до эпохи квантового преимущества и сможем использовать комбинированные квантово-классические системы для ускорения прогресса в науке и создания коммерческой ценности для бизнеса. Эта цель, вне зависимости от текущих заявлений, пока не была достигнута», — говорит Гил.

Точно так же представители IBM могли говорить о преодолении порога квантового превосходства ровно год назад: 19 октября 2018-го в журнале Science опубликовали исследование, авторами которого выступили сотрудники IBM и ученые из Университета Ватерлоо и Мюнхенского технического университета. В материале указано, что их квантовый компьютер решает сложную алгебраическую формулу, которую не могут решить классические компьютеры.

«Наша работа дает безусловное доказательство вычислительного квантового преимущества. Предложенный квантовый алгоритм является подходящим кандидатом для экспериментальной реализации в ближайшем будущем, так как для него нужны только квантовые цепи постоянной глубины в соединении на двумерной сетке кубитов(квантовых битов)», — писали авторы исследования.

Чтобы не путаться с настоящим и ненастоящим квантовым превосходством, за которым гоняются в Google и IBM, стоит рассмотреть суть и предназначение квантовых компьютеров несколько глубже.

Направление 1. Моделирование сложных физических систем

Впервые о квантовых компьютерах в начале 80-х заговорил известный американский физик Ричард Фейнман. Его идея была предельно проста: подобное понимается через подобное. Исследователям все чаще были нужны не просто теоретические расчеты квантовых систем, но и моделирование их поведения, которое невозможно осуществить на обычном компьютере за какое-нибудь разумное время. Ведь если одна квантовая частица может находиться одновременно в двух состояниях (0 и 1), то система из двух частиц — уже в четырех (00, 01, 10, 11), из трех — в восьми (000, 001, …, 111) и т. д.

Получается, для моделирования системы, скажем, из 10 электронов нужно сразу 1024 (2 = 1024) параллельно вычисляющих процессора, поскольку изменение состояния каждого электрона может эффектом домино моментально отразиться и на всех остальных частицах (одни комбинации нулей и единичек станут более вероятными, другие — менее), а обычный кремниевый процессор не умеет менять состояние сразу двух битов.

Впрочем, ощутимых практических успехов в области моделирования пока не добились. Но зато уже понятно, что идеальный квантовый компьютер, будь он построен, по своей вычислительной мощности превзойдет самые мощные современные машины. Ведь тот же 512-кубитовый чип — это 2 параллельно 10 512 работающих процессоров. Для сравнения: количество элементарных частиц во всей Вселенной, по оценкам ученых, не превышает 2 . Так что если даже каждая из них вдруг станет обычным цифровым процессором в огромном компьютере, D-Wave все равно решит свое судоку быстрее этой невообразимой махины.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.

Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.

Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.

Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.

Полупроводники

Микропроцессорный кризис и «домашнее» производство чипов

Никакая современная технология невозможна без компьютера, а компьютер невозможен без процессора (он же микрочип, он же полупроводник).

Чаще всего процессоры используют в компьютерах (34% от всех микрочипов) и смартфонах (14%), в машинах (8%) и в промышленности (8%). Уже сейчас процессоры есть в унитазах и светофорах, в холодильниках и банкоматах, в телевизорах и спутниках. В ближайшие годы нас ожидает революция интернета вещей — технологии, которая сделает реальностью умные дома и умные города, то есть компьютеризирует окружающую среду и вставит процессоры во все предметы нашего быта. Так что с каждым годом нужно будет всё больше процессоров.

Первым из полупроводникового кризиса стал выходить Китай, поскольку он лучше других был к нему готов.

Пока другие страны тратили деньги на борьбу с коронавирусом, Поднебесная активно скупала микропроцессоры: каждый пятый доллар, потраченный Китаем на импортные продукты, шел на полупроводники — всего на них потратили 380 млрд долларов. В итоге многие страны стали испытывать дефицит чипов, а на складах китайских корпораций вроде Huawei их было с запасом.

Всё дело в том, что еще в 2018 году Дональд Трамп пригрозил запретом на продажу микрочипов некоторым китайским компаниям, и Поднебесная сполна осознала свою уязвимость.

Код для кубитов

Семь кубитов на этой микросхеме IBM состоят из цепи сверхпроводников, в которой ток проходит в обоих направлениях. Кубиты объединяются с помощью подведенного волновода

Писать код для квантового компьютера — дело далеко не обычное. Этапы вычислений разбиваются на квантовые вентили, моделирующие классические операторы AND, OR и NOT. Для этого кубиты получают входное состояние и затем в несколько этапов объединяются друг с другом.

До сих пор существует всего несколько алгоритмов, оптимизированных под квантовые компьютеры. Например, на алгоритм Шора для разложения натурального числа на простые множители классическому компьютеру требуется чрезвычайно много времени, даже если он задействует тысячи процессоров. Квантовый же 100-кубитный компьютер, по оценкам руководителя лаборатории Google Джона Мартиниса, с такими вычислениями справится очень быстро. Группа ученых под руководством профессора физики уже построила для Google 49-кубитный квантовый компьютер.

На рисунке показан процесс программирования квантовой микросхемы IBM. Зеленые точки управляют состоянием кубита, синие символы определяют его связь с другими кубитами

Однако такой квантовый компьютер, по словам Мартиниса, должен содержать некоторое количество дополнительных кубитов для исправления ошибок. Дело в том, что базовые единицы квантовой информации чрезвычайно восприимчивы к внешним воздействиям, что приводит к искажению результата — отсюда и возникает необходимость в тщательной проверке. Поэтому открытым остается вопрос масштабируемости квантового компьютера: не исключено, что система коррекции ошибок потребует столько вычислительных ресурсов, что разработка больших квантовых компьютеров не будет иметь смысла — такой вот пессимистичный прогноз.

Но если масштабирование удастся, квантовые компьютеры смогут в будущем быстрее решать все задачи, сводящиеся к правильному выбору одной вероятности из очень многих. Сегодня мы используем суперкомпьютеры, которые, однако

Шесть лет работы

Первый российский кубит, по словам научного сотрудника ЛИКС Алексея Болгара, был получен шесть лет назад, в 2015 г. непосредственно в этой лаборатории. С его слов, после этого сотрудники лаборатории и ЦКП продолжили работу в данном направлении. «Все эти годы сотрудники ЦКП МФТИ и лаборатории трудились над улучшением технологии изготовления сверхпроводящих квантовых структур с различной архитектурой. В результате сейчас мы имеем технологию, которая уже достаточно надежна для создания многокубитных вычислительных устройств. Созданная нами интегральная квантовая схема, в отличие от ранее разработанных в России прототипов, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Такие интегральные схемы и необходимы для создания универсального квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах. Это большой технологический успех», – отметил Алексей Болгар.

Для дальнейшего развития интегральных схем МФТИ требуется модернизация его лабораторий

Представители МФТИ отметили, что создание российской многокубитовой интегральной схемы стало возможным благодаря четырем факторам, и первый среди них – это значительное улучшение контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов. По словам представителей вуза, эти контакты можно считать «сердцем» сверхпроводящих кубитов, поскольку от качества и воспроизводимости их изготовления напрямую зависит работоспособность всей квантовой схемы.

Второй фактор заключается в наладке технологии изготовления микроволновых резонаторов, добротность которых в однофотонном режиме составляет сотни тысяч. Это тоже очень важная часть квантовых интегральных схем – они нужны для считывания квантового состояния кубитов.

Третий фактор – отладка процесса изготовления «навесных мостиков» (air bridge), необходимых для подавления паразитных резонансных модов, что положительно сказывается на добротности структур

Но самой важной составляющей, позволившей специалистам МФТИ создать многокубитовую схема, по их мнению, является накопленный ими за последние несколько лет опыт в этой сфере

От технологий создания кубита до суперкомьпютера

Существует много разных подходов для создания кубитов. Наиболее распространены сверхпроводящие кубиты, но также активно изучают кубиты на холодных атомах. Или на ионах, также на фотонах. В Российском квантовом центре стартовал проект по исследованию физических принципов создания магнонных кубитов. В отличие от своих ионных и сверхпроводящих собратьев, работающих при температуре около абсолютного нуля, эти кубиты смогут работать при комнатной температуре. В этом состоит замысел ученых, но до воплощения пока далеко. Квантовые компьютеры — это все еще экспериментальные устройства.

«Вычислительной мощности пока недостаточно, чтобы выполнять какие-то универсальные наборы алгоритмов. Поэтому для того, чтобы он стал полным универсальным аналогом, мощность компьютера должна быть намного больше, я думаю, что это вопрос пяти-десяти лет, когда появится полноценная машина», — говорит Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра.

В июне 2020 года американская компания Honeywell объявила о создании мощнейшего квантового компьютера. У него всего лишь 6 кубитов, но они могут в разных сочетаниях объединяться для совместной работы. Эта важная характеристика называется «квантовый объем». У Honeywell 2020 года он равен 64-м. Но, конечно, чтобы решать серьезные задачи, такие как взлом современных ключей шифрования, кубитов должно стать в сотни и тысячи раз больше.

Чтобы квантовые компьютеры стали частью наших повседневных технологий, предстоит решить множество технологических проблем: найти физические кубиты, которые долго сохраняют свои квантовые свойства при высокой температуре, научиться экранировать шумы и излучения, придумать надежные способы снятия информации с квантового процессора.

По прогнозам экспертов, промышленные квантовые компьютеры должны массово появиться примерно к 2025 году. Они будут щелкать традиционные шифры как орехи. Но означает ли все это, что уже через пять лет ни одна ваша сетевая переписка и ни одна банковская транзакция не будут безопасной? Нет, конечно, успокаивают нас специалисты по квантовым технологиям. Шифрование тоже можно сделать квантовым, и взломать такой шифр будет принципиально невозможно.

В основе конфиденциальности квантовых коммуникаций лежит хрупкость элементарных частиц, в частности фотонов. Согласно теореме о запрете клонирования, во Вселенной не может быть одновременно двух фотонов с одинаковыми состояниями. Другими словами, невозможно воспроизвести тот же самый фотон с той же самой информацией. Условный злоумышленник будет не в силах разгадать квантовый шифр.

Подробнее об этом — в фильме канала «Наука».

Наш привычный мир рационален

Здесь у каждого события есть свои причины, за зимой более-менее регулярно приходит весна, а поезда следуют из пункта A в пункт Б. Ньютоновская классическая механика, созданная в XVII–XVIII веках, очень подходит для такой жизни: в ней, зная начальное положение системы, параметры тел и силы, действующие между ними, можно точно рассчитать, что произойдет в следующий момент. Но в начале XX века появилась квантовая механика, и привычный мир стал давать трещины.

Оказалось, что с объектами микроскопических масштабов могут происходить удивительные вещи. Электрон одновременно проходит сразу через две щели (квантовая интерференция), две частицы чувствуют друг друга на расстоянии (квантовая перепутанность), а безучастный наблюдатель влияет на ход эксперимента. Весомая, материальная реальность деревьев, домов и нового о́рбита со вкусом земляники замешана на диком хаосе и неопределенности квантовых частиц.

Это невозможно до конца понять. Сам Альберт Эйнштейн ворчал: «Бог не играет в кости», — возмущенный расчетами квантовой механики, которые дают только вероятности событий или состояний.

Квантовую механику можно только принять, как мы принимаем привычный материальный мир. Принять и научиться использовать мистические законы микромира, чем и занимаются пионеры квантовых вычислений.

Перелом у лидеров

США

США — безусловный лидер в области квантовых вычислений. Компании IBM, Google, Honeywell, стартапы Rigetti и IonQ представили уже достаточно надежные квантовые системы с десятками кубит.

Принятый в 2018 году закон о Национальной квантовой инициативе предусматривает сотрудничество федеральных центров с академическими учреждениями и частным сектором. В августе 2020 года в США создали пять федеральных центров квантовой информации под управлением Национальных лабораторий Министерства энергетики США. Каждый из них получит по $115 млн госфинансирования до 2024 года.

$1,2 млрд — общий бюджет Национальной квантовой инициативы США.

Собственные исследования финансируют крупнейшие компании: IBM, Microsoft, Google, Intel и другие.

$3 млрд инвестировала в 2014 году IBM в пятилетний проект по разработке нанотехнологических компонентов для кремниевых чипов, в том числе в исследования в области квантовых компьютеров.

Зачем нужны квантовые компьютеры, рассказывает директор IBM по стратегии внедрения квантовых вычислений и взаимодействию с клиентами Кэти Пиццолато:

В недавнем отчете Управления по научно-технической политике Белого дома искусственный интеллект и квантовые технологии названы двумя стратегически важными инновациями для экономического роста и укрепления национальной безопасности страны. США намерены увеличить финансирование исследований и разработок в области квантовых технологий еще на 20%.

Китай

В 2016 году в рамках уже 13-го пятилетнего плана Китай начал национальный мегапроект по развитию квантовой связи и вычислений, который предполагает достижение основных результатов в этих направлениях к 2030 году. За последние 15 лет бюджет поддержки разработок составил около $1 млрд. С 2012 года в стране работает коммуникационная квантовая сеть, а в 2016 году Китай запустил первый в мире квантовый спутник.

В январе 2021 года Китай установил новый мировой рекорд протяженности квантовых линий связи: общая длина наземных и спутниковых сегментов составила 2,6 тыс. км. Это позволило связать абонентов, находящихся на расстоянии 4,6 тыс. км друг от друга, что является абсолютным рекордом для полностью защищенных линий связи.

Фото: University of Science and Technology of China

В 2017 году китайское правительство вложило $10 млрд в создание крупнейшей в мире квантовой лаборатории в городе Хэфэй, к востоку от Шанхая. Китайские компании Tencent и Baidu развивают собственные проекты, а в начале 2020 года Alibaba объявила о выпуске 10-кубитового квантового облачного компьютера.

В начале декабря 2020 года исследователи Китайского университета науки и технологий в Хэфэе заявили, что создали самый мощный в мире квантовый компьютер. По их словам, он в 10 млрд раз быстрее прототипа от Google. Результаты тестов китайской машины опубликовал журнал Science.