Квантовые компьютеры: не фантастика, а реальность

Для обывателей словосочетание “квантовый компьютер” ассоциируется с чем-то нереальным, практически фантастическим, однако подобные системы появились уже достаточно давно. Эксперименты с квантовыми частицами начались еще в начале XX века, однако в те времена ученые делали лишь робкие попытки понять природу квантовых явлений, пытаясь изолировать их и научится контролировать, чтобы создать первые прообразы кубитов. Лишь к 1998 году наука достигла тех высот, чтобы создать первый, настоящий квантовый компьютер, и это стало настоящим толчком для развития индустрии квантовых вычислений. И с учетом того, что физические возможности кремния постепенно иссякают, квантовые компьютеры становятся одним из аналогов традиционных вычислительных систем. Но в чем суть квантовых компьютеров, почему они так кардинально отличаются от обычных компьютеров и где их вообще можно использовать? Обо всем этом команда ServerFlow расскажет вам в нашей новой серии материалов об индустрии квантовых вычислений, а сегодня мы ответим на главный вопрос — что такое квантовые компьютеры и зачем они нужны.

Как мы все знаем, работа традиционных компьютеров основывается на двоичной системе хранения данных — вся информация представлена в битах, каждый из которых может принимать значение либо нуля, либо единицы. Но принцип работы квантовых компьютеров лежит в совершенно другой плоскости — в основе таких систем лежат явления квантовой механики. Во-первых, вместо классических битов, в квантовых компьютерах используются кубиты (особые квантовые частицы), представляющие собой наименьшую единицу измерение квантовой информации. В отличие от битов, кубиты могут быть как нулем, так и единицей одновременно — это состояние называется суперпозицией. Благодаря суперпозиции множества состояний кубитов, квантовые компьютеры могут параллельно выполнять триллионы операций, но только если они однотипны. Это позволяет квантовым компьютерам в кратчайшее время справляться с задачами, на выполнение которых у традиционных суперкомпьютеров ушли бы миллионы лет. 

Еще одна уникальная особенность кубитов — состояние квантовой запутанности. Если кубиты запутаны, изменение состояния одного кубита мгновенно влияет на другой кубит, даже если они находятся в системах, расположенных на разных сторонах земли или даже галактики — проще говоря, связь кубитов в квантовой запутанности не зависит от расстояния. Пока что состояние квантовой запутанности применяется только для связи кубитов в рамках одной системы, но в будущем это явление позволяет соединять квантовые компьютеры в единую сеть, подобную интернету, при этом забыв про такой термин, как скорость передачи данных — квантовая информация будет передаваться мгновенно. Именно явления суперпозиции и квантовой запутанности — делают квантовые компьютеры революционной технологией, возможности которой будоражат воображение. Это не просто более быстрый классический компьютер – это машина, работающая по иным, квантовым законам физики, способная решать задачи, с которыми человечество еще не сталкивалось. 

Помимо функциональных отличий, квантовые компьютеры также имеют уникальную аппаратную архитектуру. В частности, вместо традиционных центральных процессоров (CPU), подобные системы основываются на особых, квантовых процессорах (QPU). Если сердцем CPU являются транзисторы и ядра, то главным элементом QPU являются физические кубиты, которые могут быть представлены в разных видах — фотонные, сверхпроводящие, спиновые, нейтральные, ионные и другие типы в зависимости от механизма работы QPU. 

Однако кубит в квантовом процессоре нельзя назвать самостоятельной вычислительной единицей, поскольку без внешнего воздействия они буквально бесполезны. Чтобы заставить кубиты работать, в QPU используют специальные системы управления на основе лазеров, усилителей и декодеров. И даже на этом еще не все — для корректной работы и минимизации ошибок, кубиты должны находиться в полном вакууме при экстремально низких температурах (-273°C). Для этого в квантовые процессоры полностью изолируют от внешней среды и помещают в криогенные установки, которые дополнительно оснащаются системами экранирования, препятствующими проникновению электромагнитных помех. И даже такая сложнейшая структура не гарантирует, что QPU будет работать с максимальной точностью — чтобы достичь этого показателя, квантовые компьютеры должны иметь суммарно 1 миллион логических кубитов (не путать с физическими кубитами), но до достижения такого уровня еще далеко. Когда развитие QPU дойдет до того, чтобы создавать машины с подобной производительностью, квантовые компьютеры преодолеют критический порог квантовой коррекции ошибок и это откроет путь к масштабному внедрению квантовых систем.

В совокупности все элементы квантового компьютера выстраиваются в огромную систему, визуально напоминающие люстру в изолированной камере со множеством различных интерфейсов, кабелей и устройств из дорогостоящих компонентов. Однако такое сравнение подходит лишь для некоторых современных квантовых компьютеров, поскольку разные производители предлагают собственные QPU-структуры, кардинально отличающиеся друг от друга внешним видом, но не принципами работы. 

В будущем мы обязательно более подробно расскажем о принципах работы квантовых компьютеров в отдельной статье, а сейчас мы рассмотрим, как выглядят квантовые компьютеры в наши дни.

Внешний вид и конструкция современных квантовых компьютеров поражают разнообразием – от гигантских научных установок до почти привычных системных блоков. Для наглядности, приведем два ярчайших примера: один из мощнейших квантовых компьютеров IBM Quantum System Two и компактную систему SpinQ Gemini.

Этот квантовый компьютер представляет собой уникальную, модульную систему с габаритами 6,7×6,7×3,6 метров, в основе которой лежат квантовые процессоры процессоры IBM Heron со 156 физическими кубитами. Особенность этих процессоров заключается в феноменальной квантовой точности — двухкубитные ошибки возникают с вероятностью всего в 3×10⁻³, что в 10 раз лучше предыдущего поколения QPU Eagle от IBM. Однако чтобы обеспечить такую высокую точность, процессоры требуют экстремальных условий эксплуатации, а именно наличия криогенных установок, которые будут охлаждать QPU до температур, близких к абсолютному нулю (около -273.140 °C). 

Уникальность архитектуры Quantum System Two также обуславливается возможностью интеграции с традиционными суперкомпьютерными системами, такими как японский Fugaku что позволяет распределять задачи между квантовыми и классическими системами для максимальной эффективности. Квантовый компьютер IBM Quantum System Two способен выполнять сложнейшие операции, например, моделирование электронной структуры сложных соединений (вроде сульфидов железа), что ранее считалось невозможным без полностью отказоустойчивых квантовых систем.К 2029 году IBM планирует объединять модули Quantum System Two для создания систем Starling, способных производить свыше 1 миллиарда операций в секунду благодаря наличию 200 логических кубитов. А к 2033 году IBM также планирует создать новый HPC-кластер Blue Jay использованием 2000 логических кубитов и эффективностью до 1 миллиардов квантовых операций в секунду.

Помимо решений IBM, в сфере квантовых вычислений есть и другие представители, некоторые из которых предлагают уникальные, компактные QPU-системы. Яркий пример — платформа SpinQ Gemini. Эта система представляет собой настольный квантовый компьютер весом 55 кг и габаритами 70×40×80 см, работающий при комнатной температуре (0–33°C) и не требует криогенного охлаждения. SpinQ Gemini также поддерживает однокубитные и двухкубитные логические вентили и имеет когерентность до 20 мс, а благодаря встроенному программному обеспечению SpinQuasar на этом квантовом компьютере можно даже программировать через графический интерфейс. В основе SpinQ Gemini лежит технология ЯМР (ядерного магнитного резонанса), работающая на постоянных магнитах мощностью примерно в 1 Тл (тесла), что в совокупности обеспечивает квантовый ПК двумя кубитами. Двух кубитов недостаточно для параллельного выполнения сложнейших задач, но системе SpinQ Gemini это и не нужно — она предназначена исключительно для образовательных задач. Имея стоимость менее $50,000, что крайне дешево для квантового компьютера, система SpinQ Gemini способна воспроизводить до 18 демонстрационных алгоритмов, имеет инструменты для изучения явления квантовой декогеренции и даже может запускать вариационные квантовые алгоритмы, вроде VQE для моделирования Гейзенберга. Портативность, автономность и наличие встроенного сенсорного экрана делают SpinQ Gemini идеальным решением для учебных лабораторий, специализирующихся на квантовых вычислениях.

Несмотря на фантастический теоретический потенциал, сегодня квантовые компьютеры эффективны лишь в узком, но крайне перспективном круге задач.

• Криптография. Безопасность большей части интернета (банки, мессенджеры, блокчейн) держится на том, что классическим компьютерам потребуются миллионы лет, чтобы разложить огромные числа на множители (факторизовать их) и взломать шифры, например, RSA-2048. Алгоритм Шора, работающий на квантовом компьютере достаточной мощности, способен сделать это за часы. Это открывает огромные возможности, но и несет колоссальную угрозу: в не тех руках такой квантовый компьютер становится мощнейшим цифровым оружием, способным подорвать все устоявшиеся основы цифровой безопасности. Например, используя возможности квантового компьютера, злоумышленники могут взломать блокчейн Bitcoin и забрать всю криптовалюту из миллионов пользовательских кошельков, тогда как при использовании традиционных компьютеров такой сценарий просто невозможен.
• Генетика. Квантовые компьютеры превосходно подходят для моделирования сложных молекулярных структур и взаимодействий атомов, что невероятно сложно для классических систем. Яркий пример – система Google Quantum AI, которая в 2020 году использовалась для моделирования ключевых белков вируса SARS-CoV-2 (возбудитель COVID-19), что помогло разработать вакцину от заболевания за считанные часы. Такие способности к моделированию позволяют ускорять разработку вакцин и лекарств в сотни и тысячи раз, находить новые способы для проведения терапии, создавать персонализированные генетические методы лечения для каждого человека. Это делает квантовые компьютеры ключевым инструментом для борьбы с будущими пандемиями и сложными заболеваниями.
• Искусственный интеллект. Наиболее перспективен симбиоз ИИ и квантовых компьютеров: искусственный интеллект формулирует сверхсложные задачи (анализ глобальных климатических моделей, поиск новых материалов, создание молекул для лекарств), а квантовый компьютер решает их, используя свою уникальную способность к параллельным вычислениям. Однако эта связка несет и большие риски: ИИ, управляющий мощным квантовым компьютером, в руках злоумышленников способен на масштабнейшие кибератаки, от которых невозможно защититься, а также может стать инструментом для создания биологического, химического или ядерного оружия. К тому же, в фантастических сценариях, при которых над ИИ теряется контроль, злоумышленником может стать сам искусственный интеллект, который обратит вычислительные возможности квантовых компьютеров против людей. Потенциальная опасность этого тандема сравнима с передачей прямого управления ядерным арсеналом искусственному интеллекту.

Примечательно, что современная наука все еще ищет пулы практических задач, в которых квантовые компьютеры будут показывать себя наиболее эффективно, ведь для большинства типичных задач они просто непригодны. Однако ученые активно разрабатывают новые, современные алгоритмы, которые адаптируют возможности QPU-систем под конкретные виды операций, требующих максимального параллелизма.

Квантовые компьютеры – это не далекое будущее. Они уже существуют и постепенно начинают решать реальные задачи. Их уникальная способность справляться со сложнейшими задачами, перед которыми бессильны даже самые мощные суперкомпьютеры, кардинально ускорит развитие таких областей, как наука, медицина, криптография, материаловедение и многих других критически важных направлений, от которых буквально зависит будущее человечества. Однако и риски, связанные с их мощью, огромны и требуют большой ответственности от ученых, занимающихся квантовыми компьютерами. Но не забывайте, что квантовые компьютеры не заменят те же самые ноутбуки в обозримом будущем, но не исключено, что позднее мир увидит реальные и массовые примеры пользовательских QPU-систем, но какие задачи они будут выполнять — нельзя даже представить.