Rambler's Top100
Статьи
Николай НОСОВ  31 июля 2020

На пороге посткремния

В области квантовых вычислений за последние годы удалось достичь значительного прогресса. Но до практического их использования далеко даже лидерам гонки.

В опубликованном в 2019 г. журналом Массачусетского технологического института списке технологических прорывов прошедшего года к квантовым вычислениям относились сразу два пункта – невзламываемый интернет и достижение квантового превосходства, т.е. демонстрация квантовым компьютером вычислительной мощности, которую невозможно обеспечить при использовании самых современных классических компьютеров. Реальные возможности квантовой связи и невзламываемого интернета обсуждались в предыдущих статьях. Теперь попробуем разобраться с квантовыми вычислениями и их перспективами. 

Квантовые алгоритмы

Процесс вычислений квантового компьютера можно представить как изменение начального состояния системы кубитов с помощью некоторых специальных преобразований, соответствующих логическим операциям. В конце измеряются характеристики системы – результат работы компьютера. Квантовая система дает результат, который можно считать правильным лишь с некоторой вероятностью. Но путем многократного повторения алгоритма (увеличения числа «подбрасываний монетки») вероятность правильного результата можно приблизить к единице.

В классическом компьютере используются логические вентили – базовые элементы цифровых схем, которые выполняют элементарные логические операции (побитовое отрицание, «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ», побитовые сдвиги) и преобразуют входные логические сигналы в выходной. В квантовом компьютере вентили, соответственно, квантовые, преобразующие входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Простейшие однокубитовые вентили: тождественное преобразование, отрицание, фазовый сдвиг и др.

Обычные алгоритмы, основанные на бинарной логике, непригодны для квантовых компьютеров, использующих квантовую логику (квантовые вентили). Для них нужны специальные алгоритмы, задействующие квантовые преобразования. Разработка таких алгоритмов – сложная задача. Ее решением, не дожидаясь появления промышленных квантовых компьютеров, занимается ряд компаний, в том числе Google и Microsoft. Кроме того, проверка результатов вычислений квантового компьютера на классическом тоже представляет собой проблему. Для задач большой размерности это просто невозможно – не хватит вычислительных ресурсов самого мощного суперкомпьютера.

Не стоит забывать, что программы для квантовых компьютеров пишутся на классических компьютерах, эмулирующих работу квантовых. Разная архитектура квантовых процессоров приводит к тому, что первоначально программы пишутся для эмулятора «связность всех со всеми», а затем их приходится перекомпилировать, чтобы они отвечали особенностям архитектуры конкретного процессора. Это еще больше усложняет процессы разработки.

Сегодня наиболее известны квантовые алгоритмы Шора (разложение чисел на простые множители), Гровера (решение задачи перебора) и Дойча – Йожи (ускорение перебора). Это работа на перспективу – когда кто-нибудь построит пригодный для промышленной эксплуатации универсальный квантовый компьютер, уже будет в наличии инструментарий для написания программ.

Специализированные квантовые компьютеры

Однако универсальный, т.е. решающий любые задачи, квантовый компьютер построить очень сложно. Чтобы решать реальные задачи, надо на несколько порядков увеличить количество кубитов квантового компьютера и количество операций, которые можно над ними производить. Быстрее можно добиться прогресса в аналоговых квантовых компьютерах – квантовых симуляторах, в которых при помощи одной хорошо контролируемой квантовой системы имитируется другая. 

Квантовые симуляторы используются, в частности, для моделирования поведения твердых тел. Например, с помощью симулятора на холодных нейтральных атомах можно описать поведение электронов в кристаллической решетке. Симуляторы на холодных ионах помогут изучить колебания и деформации кристаллической решетки. Другие типы квантовых симуляторов – на наноалмазах с примесями, на сверхпроводящих цепочках и на ядерных спинах.

Широкую известность получили чипы компании D-Wave, которые уже применяют Google и NASA. В этих чипах используется эффект квантового туннелирования (преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера), который существенно повышает скорость работы алгоритма решения задач глобальной оптимизации. По сути это квантовый аналог интегральных схем специального назначения, предназначенный для одного алгоритма.

Лидеры квантовой гонки

В квантовые технологии вкладываются огромные средства. Конгрессом США утвержден проект развития квантовых технологий стоимостью $20 млрд, в Европе действует программа Quantum Flagship (после завершения предыдущей программы 2013–2016 гг.) с бюджетом более 3 млрд евро, в Китае создается Национальная квантовая лаборатория, в которую планируется инвестировать до $12 млрд.

Лидирующие позиции в квантовой гонке занимают американские компании. В 2001 г. IBM построила 7-кубитовый квантовый компьютер, использующий технологию ядерного магнитного резонанса, и успешно выполнила на нем алгоритм Шора. В ноябре 2009 г. физики Национального института стандартов и технологий США впервые собрали программируемый квантовый компьютер из двух кубитов. В феврале 2012-го IBM создала кремниевый чип на трех сверхпроводящих кубитах, а в апреле того же года ученые из ряда американских университетов построили двухкубитовый квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями, работающий при комнатной температуре. В ноябре 2017 г. IBM представила прототип процессора с 50 кубитами. В январе 2018 г. компания Intel анонсировала сверхпроводящую микросхему Tangle Lake c 49 кубитами. В марте Google объявила, что ей удалось построить 72-кубитовый квантовый процессор Bristlecone.

В прошлом году компания IBM представила на выставке CES 2019 в Лас Вегасе квантовый компьютер IBM Q System One (рис. 1), который позиционирует как первый коммерческий квантовый компьютер в мире. Событие важное, но 20 кубитов – очень мало для решения практических задач. Область применения компьютера крайне ограничена, и коммерческий успех вызывает большие сомнения.

Источник: IBM

Рис. 1. Квантовый компьютер IBM Q System One 

Россия догоняет

Россия включилась в квантовую гонку с заметным отставанием. В мае 2015 г. ученые МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создали первый отечественный кубит. Для этого были использованы два сверхпроводника, разделенные тонким слоем диэлектрика. В октябре 2017 г. сотрудники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова представили установку, позволяющую изготавливать компактные оптические элементы для чипов квантового компьютера.

В феврале 2018 г. был сформирован российский консорциум для создания многокубитового компьютера. Внешэкономбанк, «ВЭБ Инновации», Фонд перспективных исследований, МГУ и АНО «Цифровая экономика» подписали соглашение об осуществлении проекта создания отечественного многокубитового (не менее 50 кубитов) оптического квантового симулятора. В апреле 2018 г. был представлен проект техзадания на создание отечественного 50-кубитного квантового компьютера, который, в частности, определил основные требования к разработке оптического квантового симулятора на базе двух технологий – фотонных чипов и нейтральных атомов. 

В 2019 г. госкорпорация «Росатом» запустила масштабный (бюджет – более 20 млрд руб.) проект создания отечественного квантового компьютера. В числе задач – объединение усилий в разработке квантового программного обеспечения и квантовых алгоритмов, поддержка всех центров компетенции и развитие различных платформ создания кубитов: сверхпроводников, фотонов, холодных атомов и ионов.

Упоминавшаяся в предыдущей статье «Дорожная карта развития “сквозной” цифровой технологии “Квантовые технологии”», разработанная Минкомсвязью России, предусматривает, что к 2024 г. число кубитов в сверхпроводниковом квантовом компьютере должно быть доведено до 30–50, до текущего уровня у лидирующих стран. То есть планируется сократить отставание от лидеров до четырех лет.

     Текущее состояние квантовых вычислений в России и целевые показатели развития до 2024 г.
Как отмечается в дорожной карте, главным потребителем квантовых технологий является государство, что объясняется стратегической важностью квантовых технологий для обеспечения национальной безопасности. А основой для доступа к технологиям квантовых вычислений будет выступать облачная платформа (рис. 2).
Источник: Дорожная карта развития «сквозной»цифровой технологии «Квантовые технологии», Минкомсвязь России

Рис. 2. Квантовые вычисления для решения  задач индустрии к 2024 г.

Дорожная карта объединяет все ведущиеся работы в рамках единой логики: построение полного стека квантовых вычислений путем создания различных прототипов квантовых процессоров и обеспечения к ним облачного доступа. Для этого нужно будет разработать как «железо» (выбраны четыре платформы: сверхпроводники, атомы, ионы и фотоны), так и программное обеспечение (включая компиляторы и языки программирования). Если говорить о параметрах, то это системы из 30–100 кубитов в зависимости от реализации. «На мой взгляд, первые практические задачи будут связаны с квантовой химией и оптимизацией. По направлению квантовой химии уже выполняются прикладные исследовательские проекты, например, Российский квантовый центр ведет такие исследования в интересах компании Nissan», – сообщил руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра Алексей Федоров.

Так ли превосходно квантовое превосходство?

Новые технологии добиваются успеха, когда демонстрируют свое превосходство над уже используемыми. Квантовый компьютер – когда достигнет квантового превосходства или хотя бы квантового преимущества, т.е. способности решать проблемы быстрее, чем классические компьютеры.

В октябре 2019 г. компания Google заявила о первой демонстрации «квантового превосходства». Компьютер Sycamore (рис. 3) с 54 кубитами, из которых 53 были функциональными и использовались для расчетов, чуть больше чем за три минуты выполнил объем вычислений, который, по оценке компании, занял бы у самого большого на сегодня суперкомпьютера в мире 10 тыс. лет. Это означает, что квантовый компьютер справился с задачей в 1,5 млрд раз быстрее.

Источник: Google
Рис. 3. Квантовый компьютер Sycamore 

С заявлением Google не согласилась компания IBM – при использовании классическим компьютером специальных алгоритмов решения представленной задачи выигрыш во времени будет измеряться только тысячами раз, поэтому речь идет не о квантовом превосходстве, а лишь о квантовом преимуществе. Но в любом случае достижение Google – крупная веха в развитии квантовых компьютеров. 

Казалось бы, дело за малым – довести технологии до этапа промышленной эксплуатации. Однако сейчас все представленные решения узкоспециализированные или мало масштабируемые. Инженеры Google считают, что используемый ими подход может привести их к компьютеру со 100–1000 кубитами, чего может быть достаточно для практического применения. 

Для спецслужб привлекательной выглядит идея взлома чужих шифров. На решение такой задачи никаких денег не жалко. Однако угрозы современной криптографии со стороны квантовых компьютеров сильно преувеличены. С учетом используемых алгоритмов оптимизации для взламывания современных шифров потребуется порядка 100 тыс. кубитов и порядка миллиона производимых с ними операций. В настоящий момент – цифры совершенно нереальные. Да еще надо решить проблему ошибок. Пусть каждая квантовая операция имеет достоверность 99,9%. Но если надо выполнить тысячу таких операций, то вероятность ошибки станет огромной. 

 
Мы стоим на пороге эпохи посткремниевых вычислений, которые могут быть реализованы разными способами. Предлагаемые подходы, как правило, не универсальны, применимы не для всех классов задач и могут рассматриваться только как дополнение к классическим кремниевым вычислителям. Это справедливо и для наиболее распиаренных квантовых вычислителей, способных решать пока достаточно узкий класс задач.

Сергей Абрамов, директор, Институт программных систем им. А.К. Айламазяна РАН


Потенциал современных кремниевых компьютерных технологий почти исчерпан. Уменьшать размеры компонентов электронных устройств дальше нельзя из-за квантовых эффектов – на таком уровне вещество проявляет волновые свойства, и начинает действовать принцип неопределенности Гейнзенберга. Однако квантовые вычисления не единственный, а один из возможных дальнейших путей развития. Есть проекты фотонных вычислителей, мемристоров и иных нейроморфных архитектур, биокомпьютеров, вычислителей, построенных на обратимых процессах и др. Но все они далеки от практического применения.

Развитие квантовых вычислений напоминает ситуацию с промышленным термоядерным синтезом, превратившемся в «вечно грядущую» технологию, которая всегда в разработке, всегда где-то там, в полувеке от нас. Однако квантовые (или неквантовые, но в любом случае посткремниевые) вычисления непременно станут нашим настоящим, причем, весьма вероятно, что в не слишком отдаленной перспективе.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!