Квантовые компьютеры как будущее вычислительных технологий

Квантовый компьютер по определению использует технологии манипулирования квантовыми объектами для организации вычислительного процесса. Квантовые объекты могут быть разными. Это частицы света - фотоны, электроны, атомы, молекулы или специально сконструированные макроструктуры, обладающие свойствами, которые описывает математическая теория квантовой механики. Квантовые вычислительные технологии позволяют организовать взаимодействие с такими объектами в информационные логические единицы. В технической англоязычной литературе они получили называние quantumbit, или qubit, в русскоязычной - кубит.

В соответствии с математической теорией квантовой механики, взаимодействие квантовых объектов создает промежуточные состояния, содержащие информацию обо всех возможных путях развития этих взаимодействий. Соответственно эта информация содержится и в кубитах. При правильной организации вычислительного процесса (программирования) такие свойства позволяют ускорить получение решения по сравнению с самыми мощными классическими компьютерами, которые используются в науке и технике.

Так, квантовый компьютер обладает значимым преимуществом перед классическим, которое заключается в ускорении вычислений, специально подготовленных для квантового компьютера. Это относится прежде всего к процессам, которые описываются квантовой механикой, то есть взаимодействию квантовых объектов. Например, химические реакции являются квантовыми по своей природе. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности при создании лекарств или новых материалов.

Важную роль в разработке новых лекарств играет изучение пространственнойструктуры белковых соединений. Так называемый фолдинг белка, при котором цепочка аминокислот укладывается в 3-мерную структуру, и на ее поверхности остаются активные центры (рецепторы), которыми они присоединяются к живой клетке. Активность и свойства лекарственной молекулы определяется этими рецепторами. Расчет фолдинга на классическом компьютере исключительно сложен. Однако доказано, что фолдинг появляется в результате квантовых взаимодействий в цепочке аминокислот, и поэтому такой расчет на квантовом компьютере может быть эффективен.Это открывает путь к созданию универсальных вакцин и пониманию механизма заболеваний.

Можно отдельно отметить задачи логистики, при ускоренном решении которых можно оптимизировать потоки товаров для получения экономического эффекта. Здесь используются свойства квантовых вычислений для ускорения задач комбинаторного характера. Одним из наиболее известных примеров такой задачи из производственной практики является задача коммивояжера по нахождению оптимального пути агента, которому необходимо посетить заданное число заказчиков или пунктов при разумных затратах, например, времени. Это так называемая трансвычислительная задача. Было доказано, что при 66 пунктах для посещения точное ее решение методом перебора всех возможных путей займет миллиарды лет даже у самого высокопроизводительного классического компьютера. Предполагается, что совершенный квантовый компьютер сможет решать эту задачу для сотен и тысяч пунктов за вполне разумное время – от нескольких секунд до нескольких часов.

При этом традиционные методы вычисленийне исчезнут с появлением реально работающих квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры расширят возможности по моделированию и управлению для задач, решения которых можно ускорить, применяя специальные возможности кубитов. Таким образом повышается эффективность планирования, моделирования и управления бизнесом, различными системами и научными разработками.

Кроме того, специальные свойства взаимодействующих квантовых объектов используются для алгоритмов криптоанализа. Интерес к квантовым компьютерам подогревается опасением, что те методы шифрования,которые используются уже многие годы, могут быть взломаны, а накопленные данные будут прочитаны без авторизации.

В настоящий момент (2020) в мире есть около десяти различных моделей квантовых устройств - по несколько десятков квантовых объектов каждый. Это все экспериментальные модели на различной стадии разработки, пока ни одна из них не позволяет решать практические задачи.

Старший вице-президент по инновациям Фонда «Сколково» Кирилл Каем считает, что за квантовыми технологиями большое будущее. Не зря развитые страны и ИТ-гиганты инвестируют десятки миллиардов долларов в их развитие. Среди стран лидируют США, Китай, Япония и Германия, среди корпораций - IBM, Google, Microsoft. Инвестиции со стороны России менее значительны, равно как и достижения.

«Пока мы выступаем в роли догоняющих, - рассказывает топ-менеджер. - В то же время у нас огромный потенциал, прежде всего это люди: физики, инженеры и ИТ-разработчики, которые демонстрируют существенные преимущества на глобальной сцене. Это подтверждают победы наших программистов на международных олимпиадах и высшие ступени разработчиков алгоритмов в мировых рейтингах. Бюджет в 24 миллиарда рублей на реализацию дорожной карты «Квантовые вычисления», держателем которой выступает ГК «Росатом» не мал, хоть и не сравнится с бюджетами программ США и Китая. К тому же в России функционирует целый ряд центров компетенций в области квантовых технологий, включая Лабораторию квантовой обработки информации Сколтеха, Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова и Российский квантовый центр (РКЦ). Квантовые технологии, включая квантовые вычисления, входят в список приоритетных сквозных технологий Национальной технологической инициативы (НТИ). То есть приоритет квантовой повестки на государственном уровне достаточно высокий. Предполагается, что к 2024 году на базе ГК «Росатом» и других участников программы будет создан российский квантовый компьютер, способный решать задачи из производственной практики».

За и против

Пока что главным препятствием для стабильной работы квантовых компьютеров является высокий уровень шумов, не позволяющий поддерживать нужное состояние квантовых объектов достаточно долго для работы практических алгоритмов.

Разработки алгоритмов для квантовых компьютеров идут одновременно с технологическими исследованиями в ожидании момента, когда их можно будет применить «в железе». В частности, активно идет разработка алгоритмов, которые могли бы быть применимы на «квантовых системах промежуточного масштабирования» (это те самые экспериментальные модели)

Большинство физических устройств находится в США, где и происходит жесткая конкуренция между ИТ-концернами.

«Осенью 2019 года Google заявил о своей технологической победе - достижении квантового превосходства на новом процессоре Sycamore. Квантовый компьютер на основе сверхпроводящих кубитов продемонстрировал быстродействие и решил задачу, с который самый мощный суперкомпьютер справится только за 10 тысяч лет.

IT-гигант IBM, обладающий на данным момент самым мощным суперкомпьютером IBM Summit (скорость вычислений 200 петафлопс, емкость дискового пространства 250 петабайт), поспешил достижение оспорить. Для практиков их спор мало что значит, поскольку квантовое превосходство определяется способностью квантового компьютера решить искусственно созданную задачу быстрее, чем это может сделать самый быстрый классический компьютер. То есть классическому компьютеру предложили промоделировать квантовый, выяснилось, что он на это не способен. Квантовый компьютер – нишевой продукт, заменить классический он никогда не сможет. Но в перспективе будет востребован в тех сферах, где нужен большой объем вычислений. К таким задачам относятся, например, моделирование физических процессов в сложных квантовых системах. Кроме того, логистика, размещение в пространстве, генетика, молекулярное моделирование, ускорение поиска глобального оптимума при анализе рынка . Для многих из этих задач есть попытка делать квантовые алгоритмы», - объясняет руководитель направления квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук Станислав Страупе,

Доступ к некоторым устройствам возможен в облаке. Площадка IBM Quantumexperience дает доступ как к симуляторам квантовых вычислений, работающих на классическом компьютере, так и к самим квантовым вычислителям, на которых можно проверить свои алгоритмы.Для этого только нужно зарегистрироваться на сайте концерна.

В России такого облачного сервиса пока нет, но в рамках реализации дорожной карты «Квантовые технологии», держателем которой является ГК Росатом, а его проектный офис по данному направлению возглавляет генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, через 3-4 года могут появиться и квантовый компьютер, и облачный сервис на его основе.

На данный момент серьезным недостатком квантового компьютера является его цена. И сами машины, и их эксплуатация стоят огромных денег. Достаточно сказать, что большую часть объема устройства занимает система охлаждения, позволяющая опустить температуру до 1/10 градуса выше абсолютного нуля, это холоднее, чем в космосе. Сами устройства уникальны, и над их технической разработкой и изготовлением трудятся большие коллективы ученых.

Однако разработка квантовых алгоритмов использует большей частью персональный компьютер и поэтому не отличается от другой подобной деятельности.

«Между классическими и квантовыми алгоритмами есть разница, нельзя просто перенести методы их создания с классики на кванты, - считает директор департамента развития технологических конкурсов и инициатив Фонда «Сколково», член Управляющего комитета технологических конкурсов UpGreat Вячеслав Гершов. - Это нужно уметь, и разработчики, владеющие навыками создания программ для квантовых компьютеров, получат конкурентное преимущество по мере развития «железа». Но научиться создавать и кодить квантовые алгоритмы не rocketscience, это можно уметь делатьбез погружения в квантовую физику. Существует специальный компилятор/отладчик, позволяющий переложить код, написанный на абстрактном языке программирования, на конкретную машину. Понимание принципов работыиограничений физического устройства поможет делать эту работу, но не является строго необходимым. Большинство систем используют в качестве языка высокого уровня Python и ему подобные, поэтому порог вхождения не так высок, как кажется. Институтам развития необходимо сосредоточиться на поддержке и стимулировании действующих ИТ-разработчиков - не только академических ученых, но и практикующих специалистовв их стремлении осваивать технологии квантовых вычислений и продвигаться к созданию коммерчески успешных продуктов для решения конкретных практических задач. Это касается и стандартных практик государственной поддержки инноваций, и новых форм, как то: технологические конкурсы, нацеленные на преодоление глобальных технологических барьеров в данной области, для профессионалов или хакатоны для студентов и молодых специалистов.

А вузам при подготовке ИТ-разработчиков уже сейчас необходимо учить их основным принципам работы квантовых компьютеров и создания программного обеспечения, чтобы получить быстродействие в целом спектре сложных трансвычислительных задач, обработке больших данных, предиктивной аналитике, моделировании квантовых систем и процессов и т.д. Тогда в будущем появится возможность для следующего большого шага – рождения квантового искусственного интеллекта, то есть искусственного интеллекта, мощным двигателем которого выступит квантовый вычислитель».

**

22 мая в рамках SkolkovoStartupVillage состоится мастер-класс «Введение в технологии квантовых вычислений: квантовые компьютеры и алгоритмы», спикеры – ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой обработки информации Сколтехаканд. физ.-мат. наук И. Захаров, руководитель направления квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова канд. физ.-мат. наук С. Страупе, а также практикум для ИТ-разработчиков по разработке алгоритмов для работы на квантовом компьютере.

21-22 мая состоится StartupVillage Livestream’20 – одна из первых виртуальных конференций в России и главное бесплатное технологическое мероприятие года. Благодаря новейшим технологиям все участники смогут не только выбрать и просмотреть наиболее интересные сессии, принять участие в конкурсе стартапов, встретиться с менторами и инвесторами онлайн, но и пообщаться друг с другом из любой точки мира в режиме реального времени.

StartupVillage пройдет в восьмой раз в юбилейный для Фонда «Сколково» год.