Что это за «квант»?

Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.

Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.

В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.

Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.

Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.

Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.

Какие задачи могут выполнять такие компьютеры

У них есть потенциал, чтобы ускорить развитие искусственного интеллекта. Google уже использует их для улучшения программного обеспечения автомобилей с автоматическим управлением. Они также будут необходимы для моделирования химических реакций.

Одним из наиболее многообещающих приложений квантовых компьютеров является моделирование поведения вещества вплоть до молекулярного уровня. Это может означать более эффективные продукты — от новых материалов для батарей в электромобилях, до более качественных и дешевых лекарств или значительно улучшенных солнечных батарей. Ученые надеются, что квантовые симуляции могут даже помочь найти лекарство от болезни Альцгеймера.

Квантовые компьютеры найдут применение везде, где есть большая, неопределенная и сложная система, которую необходимо смоделировать. Это может быть что угодно, от прогнозирования финансовых рынков до улучшения прогнозов погоды.

Для чего мы будем использовать квантовые компьютеры?

Уже сегодня есть некоторые планы и предположения, но наиболее интересные направления для использования кубитов, вероятно, станут известны, когда квантовые компьютеры получат широкое распространение.

Одним из самых популярных способов и наиболее обсуждаемых в отношении квантовых вычислений является криптография. Это метод передачи информации очень безопасен, и безопасность основана не на вычислительных трудностях, а на законах физики, которые гласят, что некоторые вещи просто невозможны.

Безопасность в этом случае гарантируется самими физическими свойствами кубитов, которые, как объяснялось ранее, перестают проявлять особенности суперпозиции, как только получен результат. Таким образом, любая попытка перехватить или даже скопировать закодированное сообщение просто уничтожит его.

Квантовые компьютеры также могут позволить нам лучше понять природные процессы. «Хаос» суперпозиции гораздо лучше отражает, например, мутации в ДНК, и, следовательно, развитие болезней и эволюции. Квантовые вычисления уже используются для создания новых лекарств.

Одно из интересных квантовых приложений – телепортировать информацию с места на место без физической передачи. Это звучит как фантастика, хотя это возможно, потому что квантовые частицы могут запутываться во времени и пространстве, так что изменение одной частицы может повлиять на другую, и это создает канал для «телепортации информации». Это уже было продемонстрировано в лабораториях, и это может стать частью квантового Интернета будущего.

И это только одна из великих идей того, что можно сделать с помощью квантовой физики. Но, сначала нам нужно укротить её капризный характер.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Биты и кубиты

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Квантовые вычисления в облаке

Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q# и симулятор квантовых вычислений. Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании.

Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

• Шора (разложения числа на простые множители)
• Гровера (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных)
• Дойча-Йожи (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Индустрия 4.0

В Москве в тестовом режиме запустили первую открытую квантовую сеть.

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Квантовый компьютер размером с системный блок

Стартап Shenzhen SpinQ Technology из Шэньчжэня (Китай) разработал полноценный квантовый компьютер размером и весом с небольшой системный блок. Он умещается на столе и, по данным Discover Magazine, стоит всего $5000 (около 379 тыс. руб. по курсу ЦБ на 2 февраля 2021 г.). Для сравнения, российский бюджетный автомобиль Lada Granta стоит от 441 тыс. руб., а компьютер Apple Mac Pro в российской рознице оценивается минимум в 622 тыс. руб.

Для квантового компьютера цена действительно достаточно низкая – например, у канадской компании D-Wave Systems, тоже специализирующейся на разработке квантовых компьютеров, есть модель 2000Q стоимостью в пределах $15 млн (1,137 млрд руб.). Дешевизна детища SpinQ объясняется его невысокой вычислительной мощностью – он оперирует всего двумя кубитами, тогда как 15-миллионная разработка канадцев, появившееся в начале 2017 г. – сразу 2000 кубитами.

Настольный квантовый компьютер SpinQ

Новое творение SpinQ базируется на так называемом явлении «ядерного магнитного резонанса» (ЯМР). Несмотря на отпугивающее название, эта технология достаточно хорошо изучена и в настоящее время широко используются химиками для изучения структуры вещества. Кроме того, ЯМР применяется и в медицине – в этой области она используется для проведения неинвазивного исследования внутренних органов пациентов (ЯМР-спектроскопия, магнитно-резонансная томография (МРТ). Также, по информации Discover Magazine, самые первые квантовые компьютеры образца 90 годов XX века, тоже основывались на ядерном магнитном резонансе.

Моделирование сложных физических систем

Впервые о квантовых компьютерах в начале 80-х заговорил известный американский физик Ричард Фейнман. Его идея была предельно проста: подобное понимается через подобное. Исследователям все чаще были нужны не просто теоретические расчеты квантовых систем, но и моделирование их поведения, которое невозможно осуществить на обычном компьютере за какое-нибудь разумное время. Ведь если одна квантовая частица может находиться одновременно в двух состояниях (0 и 1), то система из двух частиц — уже в четырех (00, 01, 10, 11), из трех — в восьми (000, 001, …, 111) и т. д.

Получается, для моделирования системы, скажем, из 10 электронов нужно сразу 1024 (2 = 1024) параллельно вычисляющих процессора, поскольку изменение состояния каждого электрона может эффектом домино моментально отразиться и на всех остальных частицах (одни комбинации нулей и единичек станут более вероятными, другие — менее), а обычный кремниевый процессор не умеет менять состояние сразу двух битов.

Впрочем, ощутимых практических успехов в области моделирования пока не добились. Но зато уже понятно, что идеальный квантовый компьютер, будь он построен, по своей вычислительной мощности превзойдет самые мощные современные машины. Ведь тот же 512-кубитовый чип — это 2 параллельно 10 512 работающих процессоров. Для сравнения: количество элементарных частиц во всей Вселенной, по оценкам ученых, не превышает 2 . Так что если даже каждая из них вдруг станет обычным цифровым процессором в огромном компьютере, D-Wave все равно решит свое судоку быстрее этой невообразимой махины.

Почему квантовые компьютеры угрожают биткоину?

Блокчейн биткоина и других криптовалют защищен криптографическими алгоритмами. Они предотвращают ошибки в сети, взломы и двойное расходование монет. Благодаря этим алгоритмам блокчейны практически невозможно взломать с помощью традиционных компьютеров.

В сетях, основанных на PoW-алгоритме консенсуса, новые монеты добываются с помощью майнинга — процесса, при котором вычислительное оборудование решает специальные сложные математические задачи на скорость. Квантовые компьютеры будут в миллион раз мощнее нынешних. Смогут ли они взломать приватные ключи и лишить блокчейны безопасности? Ответ утвердительный, но все не так страшно.

Согласно исследованию экспертов Deloitte, входящей в «большую четверку» консалтинговых компаний мира, «квантовые компьютеры несут серьезный вызов безопасности блокчейна Bitcoin» — они могут быть настолько мощными, что смогут отменять транзакции и тратить несуществующие монеты.

Эксперты отмечают, что самая уязвимая перед квантовыми компьютерами часть блокчейна — это цифровые подписи, которые применяются для подписания транзакций майнерами. Их алгоритм основан на эллиптической кривой (ECDSA). Чтобы взломать цифровые подписи, простым компьютерам понадобились бы сотни миллионов лет. А вот квантовое устройство может сделать это за минуты.

Разные типы биткоин-адресов по-разному устойчивы перед квантовыми вычислениями. Сатоши Накамото создал два типа биткоин-адресов: P2PK (Pay-to-Public-Key) и P2PKH (Pay-to-Public-Key Hash). Считалось, что P2PK-кошельки будут уязвимы перед квантовым компьютером, так как с его помощью можно вычислить приватный ключ из публичного ключа. Единственное средство этого избежать — не афишировать публичный ключ до того, как монеты на нем будут потрачены, и не использовать одни и те же адреса повторно.

Предполагалось, что P2PKH-кошельки, в которых цифровая подпись создана на базе приватного ключа, будут устойчивыми перед квантовыми вычислениями. Однако эксперты Deloitte отмечают, что квантовые компьютеры смогут взломать оба вида адресов, если они использовались более одного раза. При этом P2PKH-адреса, которые никогда не использовались для траты биткоинов, останутся защищены. Это означает, что если вы переведете свои биткоины на новый P2PKH-адрес, то они не должны быть уязвимы для квантовой атаки. Проблема в том, что перевод монет займет около 10 минут. По современным оценкам, квантовому компьютеру потребуется от 30 минут до 8 часов, чтобы вычислить приватный ключ. Но если квантовые устройства смогут делать это быстрее, чем за 10 минут, то блокчейн Bitcoin будет фактически взломан.

По оценкам аналитиков Deloitte, если бы квантовый компьютер уже существовал, перед ним было бы уязвимо примерно 4 млн ВТС — 21% от общего количества добытых монет.

Согласно данным аналитиков, многие владельцы уязвимых биткоинов потеряли свои приватные ключи. Считается, что до 3 млн монет могут быть потеряны навсегда, но с помощью квантового компьютера их можно было бы вывести из кошельков.

Что касается майнинга в сети Bitcoin, то за него переживать не стоит. Из-за особенности алгоритма хеширования SHA-256, используемого для майнинга, добыча биткоина квантовыми компьютерами не эффективна — современные ASIC справляются с этим лучше. То есть квантовые компьютеры нельзя использовать для получения конкурентного преимущества в майнинге. Так что подобного развития событий не стоит бояться.

Изменить в блокчейне данные о транзакциях с помощью квантовых компьютеров тоже не выйдет, ведь это возможно только при одобрении большинства участников сети.

Квантовые компьютеры несут другую опасность. Они могут угрожать не только блокчейну и криптовалютам, но и любым системам, использующим шифрование. Например, они могут взломать любой пароль и сайт в интернете, коды безопасности от ядерного вооружения или, например, всю финансовую систему.

Поэтому ведущие державы мира вкладывают миллиарды долларов в разработки квантовых компьютеров — никто не хочет проиграть в этой новой гонке вооружений. Еще в 2015 году Агентство национальной безопасности США заявило, что планирует перевести свои Системы национальной безопасности на постквантовую криптографию с открытым ключом. В последние несколько лет американское агентство сотрудничало с лидерами отрасли, чтобы убедиться, что у него достаточно квантово-устойчивых алгоритмов, готовых защитить системы безопасности США.

Что вообще можно посчитать в ближайшее время с помощью квантовых компьютеров?

Пока речь шла об универсальном квантовом компьютере, который работает при помощи квантовых логических операций. Но есть и совершенно другое, параллельно развивающееся направление так называемых квантовых симуляторов — это устройства, которые почти «в живую» моделируют квантовые системы.

Суть в том, что квантовые симуляторы сами по себе являются квантовыми объектами. Поэтому если необходимо промоделировать какую-либо задачу, связанную с физикой или квантовой химией, но трудно реализуемую на обычном компьютере, то можно просто составить из кубитов модель нужной молекулы и ее поведение просчитать. И уже показано, что такой подход работает. Например, таким образом были получены расчеты спектра энергии молекулы водорода и нескольких других простых соединений. Мы просто соединяем кубиты вместе и за счет их взаимодействия, не вдаваясь в детали вычислений, получаем результат.

Задачи, которые до сих пор решались в этой области, пока и не имели практической ценности, но помогли проверить, действительно ли квантовый компьютер будет работать здесь более эффективно. И сейчас появляются более практические задачи, связанные, к примеру, с построением новых материалов или моделированием фотосинтеза. Microsoft например, сейчас инвестирует немалые деньги в создание искусственного фотосинтеза с использованием квантовых симуляторов.

Только компромиссное решение

Процессор D-Wave находится в глубоком вакууме,охлаждается до температуры –273,13 °C и защищен от внешних электромагнитных полей

Данная технология отличает устройство D-Wave от обычных компьютеров и действительно напоминает квантовый компьютер. Но, по словам ди Винченцо, фундаментальным свойством квантовых компьютеров является объединение очень большого числа кубитов в крупные квантовые блоки памяти и квантовые вентили: «Только масштабное объединение делает квантовый компьютер таким особенным».

Фактически производительность квантового компьютера экспоненциально увеличивается с ростом числа объединенных кубитов. Однако массированное объединение в настоящее время невозможно. До сих пор исследователи смогли объединить в лаборатории лишь дюжину кубитов. Для большего объединения и выполнения более сложных задач квантовые состояния являются нестабильными, на профессиональном жаргоне: недостаточно связанными.

У компании D-Wave положение такое же: из общего числа в 2048 кубитов в каждом чипе активными являются только 50%; соответственно, взаимосвязанными являются только октеты. «Сотрудники D-Wave решились на более низкую квантовую когерентность и, таким образом, значительно упростили свою техническую задачу, — считает ди Винченцо. — Результатом в этом случае является лишь компромиссное решение».

В квантовом компьютере, как его представляет себе ди Винченцо, миллионы кубитов объединены друг с другом. И только из этого условия вытекает почти бесконечная сложность одновременных состояний переключения, только благодаря которым и могут совершаться предсказанные чудеса производительности. Настоящий квантовый компьютер мог бы, кроме того, решать не только конкретные задачи, но и, используя множество т. н. «универсальных квантовых вентилей», работать как обычный компьютер, однако с массовым распараллеливанием вычислительной мощности.

Как работает «детский» квантовый компьютер

Рабочее вещество квантовой системы SpinQ – это диметилфосфит (dimethylphosphite). Оно представляет собой тетраэдрическую молекулу, в состав которой входят по одному атому фосфора, водорода кислорода, а также две группы CH3O. При комнатной температуре это вещество принимает форму бесцветной жидкости.

По утверждению, Discover Magazine, диметилфосфит идеален для использования в небольших квантовых компьютерах, потому что атомы фосфора и водорода связаны друг с другом и достаточно близки, чтобы взаимодействовать, плюс ими также можно управлять независимо друг от друга.

Квантовый компьютер SpinQ стоит дешевле самой доступной машины «АвтоВАЗа»

Специалисты SpinQ поместили несколько капель диметилфосфита в жидком виде в небольшую герметичную емкость, а ее саму разместили в центре магнитного поля. Притом, в отличие от квантовых компьютеров 30-летней давности, в новинке SpinQ не используются сверхпроводящие магниты, поскольку для отвода от них тепла пришлось бы строить гигантскую систему охлаждения. В этом суперкомпьютере разработчики отдали предпочтение постоянным магнитам, способным создавать магнитное поле силой до 1 тесла.

Для квантовых вычислений магнитное поле должно быть очень равномерным. Для выполнения этого условия команда использовала метод, называемый «шиммингом» (shimming), который генерирует другое магнитное поле, способное нейтрализовать любые неоднородности в более сильном поле.

Как оптимизировать затраты на команду и систему управления тестированием
Бизнес

В использовании диметилфосфита и мощных постоянных магнитов и заключается секрет миниатюрности и дешевизны нового квантового компьютера SpinQ. Для управления спинами (кубитами) его необходимо подключить к обычному ПК с установленным на него специализированным ПО.

Несмотря на то, что устройство SpinQ обрабатывает только два кубита, оно способно выполнять ряд типичных квантовых вычислений. Например, оно может реализовать версию алгоритма Гровера, который может выполнять поиск в базе данных быстрее, чем классический поисковый алгоритм.

Подведем итоги

Как видите, квантовые технологии — это крайне перспективная область, которая может открыть нам множество тайн природы и помочь решить задачи, над которыми бьется не одно поколение людей. Вопрос о возможности создания универсального квантового компьютера сложный, ведь впереди очень много физических и инженерных проблем.

Квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится в ближайшие годы. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в ближайшие годы, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в виде, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.