27.09.2022

Мифы и действительность применения квантовых компьютеров

О квантовых компьютерах слышали все, почти никто их не видел, а разобраться в нюансах их работы способны единицы. Это породило множество мифов и информационных спекуляций на тему возможностей применения квантовых вычислений на практике. На разработку универсальных квантовых компьютеров выделяются огромные деньги. Этим занимаются такие компании, как IBM, Google, Microsoft, D-Wave Systems, IonQ, Rigetti, Массачусетский технологический институт, Российский квантовый центр, Университет науки и технологий Китая и множество других авторитетных научных организаций и крупных корпораций. Квантовым компьютерам предрекают будущее, сравнимое с появлением информатики как науки, открытием электричества и созданием атомной бомбы вместе взятых.

Между тем, практические результаты квантовых вычислений широкую общественность мало впечатляют, хотя и вызывают дискуссии и восхищение возможными перспективами в научной среде. Однако, до настоящего момента, несмотря на большое количество различных квантовых систем, их использование не идёт ни в какое сравнение ни с классическими суперкомпьютерами, ни с более традиционными системами. При этом речь о тех областях, где квантовые вычисления и квантовые компьютеры, казалось бы, должны играть доминирующую роль, а именно, речь о работе с большими данными, криптографии, искусственном интеллекте и машинном обучении.

Не слишком компетентные обсуждения в ИТ-изданиях возможностей и перспектив квантовых компьютеров порождают мифы как на уровне обывательских рассуждений об их применении для «взлома биткоина» до спекуляций про «светлое квантовое будущее». Проблему мифологизации подкрепляет теоретическая сверхпроизводительность квантовых компьютеров. Между тем, объективно существуют очень сложно преодолимые препятствия на тернистом пути от теории к её практической реализации. Назовём основные.

Проблема размерности квантовых систем. Обеспечение работоспособности квантовых компьютеров, значительно превосходящих классические по производительности, содержит концептуальную проблему. Проблему размерности. Экспоненциальный рост объёма квантовой памяти (см. ниже почему) затрудняет описание квантовой системы на классическом компьютере, провоцируя постоянное наращивание её объемов.

Экспоненциальный рост памяти — ещё одна принципиальная проблема квантовых компьютерах, где нет привычных нам битов 0/1, но есть кубиты (квантовые биты), находящиеся в состоянии 0 или 1 с той или иной вероятностью (состояние суперпозиции). Чем больше кубитов, тем, теоретически, больше память и производительность. Однако, состояние суперпозиции для кубита чрезвычайно дорогое удовольствие из-за неизбежных помех реальной среды.

Изолированность квантовой системы, чтобы поддерживать кубиты в состоянии суперпозиции,— одна из главных трудно решаемых физических проблем. Для нормальной работы квантового компьютера, его необходимо поддерживать в таком состоянии максимально долго. Даже минимальное внешнее влияние может исказить результаты работы. Чем больше количество кубитов, тем больше требуется времени для поддержки системы в полностью защищённом от внешних воздействий состоянии. В результате имеем парадокс — увеличение количества кубитов приводит к уменьшению количества операций. Ключевым параметром тут является время, в течение которого система может находиться в изолированном состоянии. Соблюдение этого условия требует колоссальных затрат.

Охлаждение является не меньшей проблемой. В огромном «зоопарке» экспериментальных квантовых компьютеров применяются различные системы охлаждения. Все они высокотехнологичны, крайне дороги в производстве и эксплуатации, не всегда надежны. Эксперименты и изыскания в этой области активно ведут российские учёные. Например, в 2018 году они, при содействии швейцарских и американских ученых, разработали нанохолодильник для отдельных кубитов.

Архитектура квантового компьютера. В настоящий момент в мире не существует единства мнений о наиболее эффективной и подходящей архитектуре и принципе работы квантовых компьютеров. В разных проектах используются сверхпроводящие, ионные, твердотельные, фотонные и оптические системы. Использование кубитов с недавних пор конкурирует с применением кудитов (расширенной версией кубита, которые могут пребывать в более чем двух состояниях, например 0,1,2). У всех существующих прототипов и проектов существуют критические недостатки, ограничивающие их практическое применение.

Универсальность квантового компьютера. В теории квантовый процессор способен проводить любые операции. Но на практике удаётся лишь взаимодействие с соседними кубитами, расположенными по прямой в квадратном или прямоугольном массиве. Другие операции пока возможны лишь в теории. Требуются дополнительные исследования для разработки подходящей архитектуры.  

Конфликтность параметров квантового компьютера. Количество кубитов (объем квантовой памяти), количество операций (когерентность) и универсальность (способность проводить разнообразные операции) в квантовой системе являются конфликтующими свойствами. Улучшая один параметр, мы неизбежно ухудшим другой. 

В связи с этими проблемами сегодня квантовые компьютеры способны решать такие узкие задачи как графовая кластеризация, криптография, молекулярное моделирование и применение некоторых алгоритмов для расчетов при работе с большими данными.

Квантовые компьютеры в России

Сама идея создания квантового компьютера уходит корнями в Россию. Квантовые вычисления стали возможны в 70-х годах благодаря российскому математику Александру Холево (недавно учёному присуждена престижная премия Шеннона, вручаемая за достижения в области теории информации), определившему количество информации, которое можно сохранить в квантовых состояниях. Одним из первых авторов идеи квантового компьютера стал российский математик Юрий Манин, описавший её в книге «Вычислимое и невычислимое» (1980 год). Ученый предположил необходимость использования машинных квантовых вычислений для моделирования сложных процессов, например, репликации ДНК. Что интересно, это произошло до того, как американский учёный Ричард Фейнман начал впервые выступать с лекциями «Моделирование физики на компьютерах» и «Квантовые компьютеры».

Ещё в 2019-м году в НИТУ «МИСиС» разработал прототип квантового компьютера. В 2021-м в России появился прототип ионного квантового компьютера, разработанный Российским квантовым центром всего за 6 месяцев. В апреле 2021 года ученые Московского физико-технического института создали первый в России квантовый процессор — интегральную схему на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе.

В текущем году российские ученые запатентовали архитектуру квантового процессора на основе кудитов, аналоги существуют в Китае и у компании Riggeti Computing. При этом российский компьютер использует собственный ионный принцип, в Китае применяют фотоны, а американцы из Riggeti — сверхпроводники. Иными словами, в этой области никакого существенного отставания не наблюдается, чего, например, нельзя сказать о создании традиционных микросхем и собственных процессоров, остро необходимых для импортозамещения подсанкционных комплектующих.

Прогнозы и выводы, которые могут быть скоро опровергнуты, но это не точно

«Мне сложно сказать, решаемы ли в принципе проблемы, препятствующие появлению полноценного универсального квантового компьютера. При этом важно понять, что в настоящий момент это не просто сырые технологии, требующие обкатки перед внедрением, но огромный комплекс междисциплинарных теоретических и практических проблем. Безусловно, есть успехи в применении квантовых компьютеров для узкого круга задач, но прорывных успехов практически нет — это безусловный факт. Существуют громкие заявления, мифы и много кропотливой и длительной научной работы, которая будет продолжаться ближайшие 100 лет. Полноценный универсальный квантовый компьютер, готовый к практической эксплуатации — это не вопрос ближайшего будущего. Широкое применение квантовых вычислений, если доверять лояльным к самой идее квантового компьютера экспертам, может начаться через 50-70 лет. В этом нет ничего удивительного. Вспомним историю становления классических компьютеров. Они прошли путь от архаичных штучных экземпляров, занимавших несколько этажей ламповой электроники, до массовых и доступных за 50 лет. Очевидно, что квантовые системы — более наукоемкая междисциплинарная задача, и пройти этот путь быстрее, скорее всего, не получится» — Владислав Таболин, генеральный директор компании ЕАЕ-Консалт.

Источник: IT Channel News

Владислав Таболин.