Квантовые компьютеры откроют мир новых, невиданных возможностей

Квантовые компьютеры вышли из стадии лабораторных разработок. Формируется рынок квантовых вычислений, и первопроходцы в данной области начинают конкурировать друг с другом. Сегодня в мире три явных лидера - это канадская компания D-Wave Systems, и американские корпорации Google и IBM. Всего выпущено несколько десятков квантовых компьютеров. Цифра не маленькая, учитывая стоимость машин (например, цена одного D-Wave 2000Q составляет 15 млн. долл.) и пока еще специфические, узкие ниши их применения. О перспективах квантовых вычислений рассказывает директор по технологиям IBM в России и СНГ Игорь Хапов.

 —  Какие преимущества дают квантовые вычисления?

Говоря простыми словами, количество возможных решений определенных задач удваивается каждый раз, когда вы добавляете в уравнение новую переменную. За счет этого сложность вычислений растет по экспоненте.
 
Некоторые задачи построены по такому же принципу. Когда нужно учитывать лишь несколько параметров, решить задачи не сложно. Но с добавлением каждой новой переменной количество возможных решений удваивается, как и время, необходимое на поиск решения.
 
Современные классические компьютеры стали гораздо лучше, чем раньше, но и у них есть пределы возможностей. Даже лучшие вычислительные машины современности не в состоянии найти оптимальное решение задач определенных масштабов даже за миллиард лет.
 
Так чем же отличаются квантовые компьютеры? Все сводится к двум фундаментальным квантовым эффектам: суперпозиции и запутанности. Квантовые биты или кубиты — это строительные блоки квантовых компьютеров, которые могут существовать в состоянии, известном как квантовая суперпозиция. Двухкубитная система может существовать в суперпозиции из четырех состояний, трехкубитная система — в суперпозиции из восьми состояний, а четырехкубитная система может находиться в суперпозиции из 16 состояний, и т.д. Таким образом, мощность квантовых компьютеров может увеличиваться экспоненциально по мере добавления кубитов (при условии сохранения низкого уровня ошибок). И вот мы уже решаем задачу, сложность которой растет по экспоненте, с помощью компьютера, мощность которого также повышается экспоненциально.

 — Где применяются квантовые компьютеры?
 
IBM построила 28 квантовых компьютеров, доступ к которым имеют 110 членов коммерческой сети Q Network через публичное облако IBM Cloud. Несколько компьютеров также находятся в бесплатном публичном доступе (Q Experience). Они используются для обучения программированию квантовых компьютеров и получения навыков, необходимых для их дальнейшего развития. Это очень похоже на то, что делалось десятки лет назад для мейнфреймов и суперкомпьютеров.

 —  Каковы перспективы квантовых вычислений?

Исследователи IBM доказали, что могут создавать и контролировать высококачественные сверхпроводниковые кубиты, а также поддерживать их устойчивое состоянии при температуре 15 милликельвинов для сохранения эффектов суперпозиции и запутывания. Такой прогресс говорит о том, что квантовые системы следующего поколения с десятками кубитов появятся уже совсем скоро. Хотя сейчас невозможно с полной уверенностью утверждать, на что будут способны системы следующего поколения, они, вероятно, превзойдут возможности современных традиционных компьютеров.
 
К тому времени квантовые компьютеры будут применяться в самых различных отраслях. Они станут основным инструментом специалистов в области химии, биологии, здравоохранения, математики и защиты окружающей среды. Они объединят лучшие умы человечества, разожгут искру научного воображения и изменят представление общества о невозможном.
Появятся решения задач, которые сегодня кажутся неразрешимыми. Откроется мир новых бесчисленных возможностей.

 — В каких областях применение квантовых компьютеров может привести к революционным изменениям?

В основе практически всего лежат химические элементы и их взаимодействие. Блеск вашего автомобиля. Скорость передачи данных по широкополосной сети. Тепло вашей зимней куртки. Возможности медицины. Все сводится к химии.
 
Если бы мы смогли лучше изучить сложные химические реакции, смоделировав их на компьютере, результаты практически наверняка были бы впечатляющими. Это могло бы привести к созданию новых материалов невероятной прочности и минимальной массы или помочь нам очистить водоемы и атмосферу от загрязняющих веществ. Благодаря такому моделированию мы смогли бы научиться создавать персонализированные лекарственные препараты и более эффективные устойчивые источники энергии. Потенциальные преимущества использования квантовых компьютеров ограничиваются лишь нашим воображением.
 
Представьте классический компьютер, который содержит столько же транзисторов, сколько атомов на млечном пути. Он все равно не смог бы выполнить задачу моделирования такого относительно простого вещества, как кофеин. Но при наличии экспоненциально растущей вычислительной мощности экспоненциально усложняющиеся задачи — в том числе моделирование химических взаимодействий — не кажутся невыполнимыми.
 
Суть подхода к моделированию химических реакций с использованием квантовых машин заключается в объединении самых быстрых классических компьютеров с квантовыми процессорами. Определенные части задачи выполняются на классической машине, а самые сложные с вычислительной точки зрения задачи передаются на квантовый процессор. Мы продемонстрировали, что с помощью такого метода можно моделировать поведение небольших молекул, например, водорода или гидрида лития.
 
Возможности квантовых систем не ограничиваются расширением наших знаний о природных явлениях. Они также могут помочь оптимизировать сложные техногенные системы и решить задачи, которые сегодня мы даже не пытаемся рассмотреть. За счет использования чрезвычайно сложных наборов данных квантовые компьютеры могут вывести технологии машинного обучения и искусственного интеллекта на новый уровень.
 
Они могут открыть новые способы многократно сократить время, затрачиваемое на создание новых материалов. Кроме того, они могут ускорить разработку ультраэффективных логистических и транспортных операционных схем, а также новых методов снижения рисков и оптимизации производительности для компаний, оказывающих финансовые услуги.

 —  Какие факторы препятствуют активному развитию этой технологии?

Чтобы повысить производительность классического компьютера, нужно оснастить его большим количеством транзисторов. Но в квантовых вычислениях динамика мощности гораздо более сложная. Да, число кубитов имеет важное значение. Но не менее важны такие параметры, как частота появления ошибок, операционная точность и эффективность. Для достижения наибольшего эффекта необходимо постоянно снижать частоту появления ошибок (повышая качество шлюзов или улучшая связь между кубитами) по мере увеличения количества кубитов. Это одна из нескольких проблем, которые необходимо решить для достижения квантового преимущества – точки, в которой квантовые компьютеры позволят нам выполнять полезные задачи, недоступные классическим вычислительным машинам.

Беседовал Константин Геращенко