Квантовый компьютер — революцинная технология будущего. Что надо о нем знать

Психология

Квантовые вычисления – самая загадочная и до сих пор неизведанная область из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров – все это ожидается от квантового компьютера в ближайшее десятилетие.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления решают проблемы, манипулируя квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым получить два квантовых явления: суперпозицию и запутанность. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать задачи оптимизации, которые в настоящее время недоступны для самых мощных компьютеров.

Если вы посмотрите на английский термин (английский квантовые вычисления), вы обнаружите, что квантовый компьютер на самом деле является будущим продуктом этих загадочных квантовых компьютеров. В целом квантовые вычислительные системы делятся на два основных класса: квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.

Технологии квантового направления физики – коммуникации и сенсоры – активно используются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые только начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила линию квантовой связи, связывающую Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Датчики сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.

Текущее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Отправной точкой первого является открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этой области физики появились лазеры и компьютеры, а вместе с ними Интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые фотоаппараты и магнитно-резонансные машины.

Чем квантовый компьютер отличается от обычного?

Поскольку ученые создают квантовые компьютеры на разных платформах (подробнее об этом позже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.

Квантовый компьютер - это революционная технология будущего. Что нужно знать о нем

Криостат (система охлаждения), подключенный к квантовому компьютеру Microsoft (Фото: Джейсон Коксволд)

Современные квантовые компьютеры на основе сверхпроводников больше похожи на люстры в стиле стимпанк и работают при определенной температуре – каждому уровню машины нужен свой микроклимат. Если в комнате становится теплее или холоднее, компьютер приходит в негодность. Система охлаждения на основе жидкого гелия используется для работы квантовых компьютеров. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этому объекту подключено несколько традиционных компьютеров для решения проблем. Внутренне квантовый компьютер состоит из соединений и трубок, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.

Читайте также:  Об уважении

Для решения любой алгоритмической задачи квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако, в отличие от битов, кубиты могут находиться в состояниях 0 и 1 одновременно из-за свойства квантовых объектов: суперпозиция . Это то, что способствует ускорению решения проблем на десятки порядков быстрее, чем классические компьютеры.

Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 миллиардов лет, то теоретический квантовый аналог будет завершен за 18 секунд.

Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а производят вычисления мгновенно. Это свойство можно использовать при поиске информации в базах данных, составлении пути, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Устранение неисправностей, требующих заказа сотен и тысяч опций, многократно ускоряется.

Квантовый компьютер - это революционная технология будущего. Что нужно знать о нем

Кубиты, в отличие от битов, могут накладываться друг на друга, то есть могут принимать значения 0 и 1 одновременно

В настоящее время многокубитовые квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, и их производство – сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня – это установка, которая не предполагает личного использования дома. Для работы с этим классом устройств вам необходимо обладать специальными навыками и уметь организовывать задачи на машинно-понятном языке.

Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?

Квантовые компьютеры построены на четырех основных платформах: сверхпроводящие цепи, ионы, нейтральные атомы и фотоны. На самом деле платформ намного больше: есть еще интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и т.д.), Примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Компьютер можно построить на нескольких платформах. Каждый может работать отдельно друг от друга.

Квантовая платформа – это физический объект, такой как микросхема, который содержит и хранит квантовое состояние кубитов.

Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепях. В отличие от кубитов других типов, они обладают высокой масштабируемостью, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и их легче контролировать. Однако теперь мы видим, что международное квантовое сообщество все больше интересуется ионами.

Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на основе иона представил запуск технологии IonQ в декабре 2018 года. Как заявили сами разработчики, созданная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все аналоги на рынке. А в конце 2020 года американская компания Honeywell объявила, что ей удалось создать самый точный квантовый компьютер на основе ионов. Однако у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры трудно масштабировать из-за аномального нагрева.

Кроме того, ультрахолодные атомы входят в тройку самых многообещающих платформ для реализации универсального квантового компьютера. Разработкой таких систем часто занимаются академические институты и университеты, например, Институт прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде.

Читайте также:  Утонут, сгорят или уйдут под землю: 5 городов, которые могут исчезнуть из-за климатических изменений

Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?

Сегодня квантовые компьютеры и симуляторы работают только в лабораториях, и доступ к облаку – единственный способ для внешних клиентов работать с ними. Однако в будущем использование облачной платформы даже более экономически оправдано, чем покупка дорогостоящего оборудования самостоятельно.

Microsoft запустила открытый тест своего сервиса Azure Quantum, который обеспечивает облачный доступ к квантовым вычислениям. Один час работы с ним стоит от 10 до 900 долларов. В то же время у Microsoft нет собственного квантового компьютера. Система работает на решениях от деловых партнеров, таких как Honeywell Quantum Solutions и IonQ.

Согласно дорожной карте квантовых вычислений, разработанной Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» и экспертами Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в качестве пилотного проекта к декабрю 2022 года. В 2024 году платформа позволит проводить расчеты на русском языке квантовые компьютеры.

В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален

Финансы

  • оптимизация инвестиционных портфелей;
  • прогнозирование финансовых кризисов;
  • спрогнозировать кредитоспособность клиента;
  • построение моделей кредитного риска;
  • защита от мошенничества путем анализа истории транзакций;
  • признание мошеннической деятельности.

Все эти процессы существенно трансформируются вычислительной мощностью квантовых компьютеров. Задачи решаются моментально, а не за часы и дни.

Медицина и фармацевтика

Квантовые компьютеры могут помочь оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к более быстрому производству новых лекарств и адаптации лекарств, а также к более быстрой сборке генома. Последний процесс можно использовать в диагностике рака, поскольку слияние и перестройка генов являются частыми причинами злокачественных опухолей. D-Wave уже использовала свою квантовую машину отжига (калькулятор, пригодный только для некоторых задач оптимизации) для выявления аденокарциномы или плоскоклеточного рака, двух смертельных заболеваний, у пациентов с немелкоклеточным раком легкого.

Логистика

Оптимизация цепочек поставок сократит протяженность маршрутов и позволит компаниям снизить расходы на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее вычисляют все возможные варианты движения и выбирают наиболее оптимальные.

Первый такой проект был реализован в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts в партнерстве с Mitsubishi Estate оптимизировала маршруты сбора и размеры контейнеров для 26 крупных бизнес-центров в центре Токио.

Информационная безопасность

В настоящее время разработаны алгоритмы, позволяющие квантовому компьютеру сократить время, необходимое для угадывания пароля и расшифровки информации, до нескольких часов или минут.

Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут быть легко взломаны квантовым компьютером. Вот почему квантовые вычисления являются технологией национальной безопасности, и государства, которые первыми построят квантовый компьютер с высокой кбит / с, получат почти идеальное технологическое оружие. Отсюда квантовая лихорадка и сотни миллиардов инвестиций в технологии.

Читайте также:  Умная мысль, после которой приходит понимание, что стоит перестать держать проблемы в голове

Квантовый компьютер - это революционная технология будущего. Что нужно знать о нем

Фото: Мануэль / Unsplash

Химическая промышленность

  • Quantums поможет создавать новые композитные материалы для таких секторов экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные композиции улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20-40% и повысят их износостойкость;
  • использование квантовых датчиков при производстве материалов позволит отслеживать критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, техосмотр и ремонтные работы.

Какие квантовые компьютеры уже есть в мире и в России?

Их квантовые компьютеры построены Google, IBM, Intel и небольшими компаниями: D-Wave и стартапом Rigetti. D-Wave создала квантовую машину для отжига на 5000 кубитов, которая превосходит предыдущее поколение по размеру, количеству межкубитовых соединений и скорости работы. Это устройство – крупный инженерный прорыв, который в будущем будет использоваться в квантовых компьютерах общего назначения. Национальные программы также были созданы для разработки квантовых компьютеров по всей стране, в Европейском Союзе, США, Китае и России.

Google был первым в мире, кто добился «квантового превосходства» в лабораторных условиях: компьютер Sycamore смог выполнить вычисления за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой задачей за 10 000 лет, описал журнал Nature results эксперимента компании.

В России ученые работают над созданием квантового компьютера одновременно на четырех платформах: сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы и фотоны. Согласно дорожной карте квантовых вычислений, утвержденной правительством нашей страны, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводника будет состоять из 30 кубитов на основе нейтральных атомов и ионов – от 100, фотонов – от 50.

Сегодня в России есть прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Домашние компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решая задачи моделирования простейших молекул. Эти возможности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (показатель зрелости технологий квантовых вычислений, высший уровень в нем – QTRL-9).

Читайте также:

Расчеты можно делать мгновенно: как работают квантовые компьютеры и зачем они нужны

Как квантовый компьютер изменит наше будущее и на что он способен?

Квантовая физика для чайников: Дмитрий Побединский о том, жив ли еще кот Шредингера

Если вам понравился материал, подпишитесь на канал РБК Тренды в Яндекс.Дзен — это поможет нам развиваться!

Валерия Кузнецова
Главный редактор , psyban.ru
Психолог с многолетним стажем. Использую различные лайфхаки в личной жизни. Друзья постоянно говорят, чтобы я размещала свои советы в интернете. Будьте любимыми вместо со мной!
contact me
Оцените статью
psyban.ru
Добавить комментарий