Ведутся работы над созданием квантовых компьютеров, которые ускорят вычисления

ЭкспертHi-Tech

Борьба за квантовое превосходство

Исследователи по всему миру работают над созданием квантовых компьютеров, которые позволят существенно ускорить вычисления. В гонке участвуют США, Китай, Евросоюз, а с недавних пор и Россия

Заур Мамедьяров

Мир перешел в новую эру компьютерных вычислений. Но это не точно. Двадцатого сентября на сайте NASA опубликовали доклад Google о создании сверхмощного квантового компьютера. Почти сразу документ удалили. Google и NASA отказались комментировать ситуацию, но многие успели с докладом ознакомиться. Он назывался «Достижение квантового превосходства с использованием программируемого сверхпроводникового процессора». Термин «квантовое превосходство» означает способность квантовых компьютеров решать задачи, которые обычные компьютеры выполнить не могут. «Насколько нам известно, в этом эксперименте впервые было произведено вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом компьютере», — говорилось в исчезнувшем документе.

Квантовому компьютеру Google якобы удалось за 200 секунд выполнить расчеты, на которые мощнейшему в мире суперкомпьютеру Summit потребуется десять тысяч лет. Эксперимент Google включал в себя решение задачи случайной выборки — проверки того, действительно ли набор случайных чисел случаен. Свое достижение компания назвала «поворотным моментом на пути к полноценным квантовым вычислениям». Однако, по мнению главы исследовательского подразделения IBM Дарио Гила, заявление Google о достижении квантового превосходства ошибочно. Гил считает, что система Google — это всего-навсего специализированная аппаратура, способная решать одну-единственную задачу, и ей далеко до разрабатываемого IBM универсального квантового компьютера.

Зачем миру квантовые компьютеры

Ожидается, что с помощью квантовых вычислений можно будет создавать модели городов и даже галактик, оптимизировать транспортные потоки, моделировать молекулы ДНК и новые материалы, делать финансовые прогнозы. Среди наиболее перспективных направлений — дешифровка и квантовая криптография, а также точная навигация, не требующая использования GPS. Как рассказал «Эксперту» генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, широко обсуждается вопрос о возможном применении квантовых компьютеров для синтеза материалов со свойствами сверхпроводимости при комнатной температуре, которые позволят нивелировать потери при передаче электроэнергии. Как пояснил г-н Юнусов, есть и перспективная область квантовых коммуникаций, которые в будущем могут использоваться для защиты национальных информационнотелекоммуникационных сетей, защиты информации для финансового сектора, государственных органов, крупных технологических компаний и держателей критической информационной инфраструктуры. Как субтехнологию выделяют квантовые сенсоры, которые могут найти применение сразу в нескольких областях: оборона и безопасность, навигация (космос, беспилотный транспорт), строительство, нефтедобыча, геологоразведочные работы, медицинская диагностика и терапия, Индустрия 4.0.

Эти сферы применения критически важны для национальной безопасности государств. Показательно, что в США военные ведомства первыми начали финансировать исследования квантовых технологий — задолго до того, как в стране появилась федеральная программа развития квантовых вычислений и коммуникаций. «Мы видим, что это действительно прорывные технологии», — заявил Майкл Хейдук, глава подразделения компьютерных вычислений и коммуникаций исследовательской лаборатории ВВС США. Еще в 2013 году исследовательская лаборатория Армии США запустила программу выдачи грантов частным компаниям, ведущим разработки в области квантовых вычислений. На сайте американского Агентства передовых исследований в сфере разведки (IARPA) также указано, что ведомство спонсирует программы по исследованию квантовых технологий — в этих программах участвуют такие научные организации, как Калифорнийский университет в Беркли, Йельский университет, Университет Мэриленда, Делфтский технический университет (Нидерланды), Инсбрукский университет (Австрия), исследовательский центр IBM. Разумеется, суммы грантов от военных организаций в США строго засекречены.

Только в конце прошлого года Дональд Трамп подписал законопроект о Национальной квантовой инициативе. Согласно документу, в 2019–2023 годах различные американские ведомства (в частности, Национальный институт стандартов и технологий, Национальный научный фонд и министерство энергетики США) должны выделить 1,25 млрд долларов на развитие квантовых технологий. По словам Артура Хермана, научного сотрудника Института Хадсона, Национальная квантовая инициатива — крайне важный шаг. «До этого момента США оставались единственной технологически развитой страной, которая не разработала четкой стратегии для победы в квантовой гонке», — объясняет Херман. По его мнению, теперь США нужно активно догонять Китай, который вкладывает в развитие квантовых технологий в десятки раз больше: в ближайшие пять лет Китай планирует инвестировать в квантовые вычисления 10–15 млрд долларов.

В сентябре 2018 года правительство Китая анонсировало строительство крупнейшего в мире квантового исследовательского центра в провинции Хэфэй. На сооружение лаборатории потратят 10 млрд долларов, ее запуск запланирован на март 2020-го.

Китай понимает, что квантовые технологии — это не только вычисления, но и квантовые коммуникации, и как раз в этой области страна далеко впереди. На Китай приходится почти в пять раз больше патентных семейств в квантовых коммуникациях и квантовой криптографии, чем на США. Другие страны по этому показателю и вовсе отстают от Китая в десятки раз. Первым серьезным достижением Китая в области квантовых коммуникаций стал запуск в 2016 году первого в мире спутника квантовой связи «Мо-цзы». Кроме того, Китай запустил 2000-километровую сеть квантовой связи, соединяющую Шанхай и Пекин, — считается, что ее практически невозможно прослушать или взломать.

Программы поддержки развития квантовых технологий есть и у других стран. Так, Великобритания с 2014 года выделяет из государственного бюджета средства на это направление — общая сумма инвестиций составляет 1,26 млрд долларов. Евросоюз в 2018 году запустил программу «Флагман квантовых технологий» с запланированным объемом инвестиций в миллиард евро. В рамках программы в течение десяти лет будут профинансированы более пяти тысяч исследователей квантовых технологий.

Кроме того, крупные компании самостоятельно ведут исследования квантовых технологий — например, Google, IBM, Intel, Microsoft, Airbus, Volkswagen. Совокупный объем частных инвестиций оценивается на уровне миллиарда долларов.

Великая квантовая революция

В конце августа был опубликован проект дорожной карты по развитию квантовых технологий в России, разработанной Московским институтом стали и сплавов (МИСиС). Российская дорожная карта разделяет квантовые технологии на три субтехнологии: квантовые вычисления (то есть как раз разработка квантовых компьютеров), квантовые коммуникации (криптография) и квантовые сенсоры и метрология (высокоточные измерительные приборы на основе квантовых эффектов). По мнению авторов документа, наиболее перспективны с коммерческой точки зрения квантовые коммуникации.

У России действительно есть серьезные наработки в этой области: в конце сентября, например, ученые из Казанского квантового центра протестировали квантовое шифрование на волоконнооптической линии связи протяженностью 143 километра и тем самым установили мировой рекорд. Для стратегических интересов России наиболее важны квантовые вычисления, по которым мы пока отстаем от других стран. Как объясняет Руслан Юнусов, степень готовности квантовых технологий определяется по шкале QTRL: уровень QTRL1 означает существование только теоретических разработок, а последний, девятый уровень — возможность квантового компьютера превзойти обычный ПК. По его словам, разработки компаний в мире на данный момент соответствуют уровням QTRL4–QTRL5. Это означает, что в вычислительных системах пока не решена задача реализации квантовых кодов коррекции ошибок и, соответственно, на них не могут быть в полном объеме реализованы практически значимые алгоритмы. В России реализованы только прототипы квантовых компьютеров с двумя кубитами и квантовые симуляторы с 10–20 кубитами, что соответствует уровню QTRL3–QTRL4. Глава РКЦ отметил, что наиболее перспективными платформами в мире считаются три: сверхпроводящие цепочки, нейтральные атомы и ионы в ловушках (уровень развития QTRL4–QTRL5). Эти направления достаточно сильно развиты в России (QTRL2–QTRL4).

Квантовые 30–50-кубитные устройства, как указано в дорожной карте, должны появиться только в 2024 году. В том же 2024-м Россия должна решить задачу квантового превосходства, а для квантовых вычислений уже будет запущена облачная платформа. Общий объем инвестиций, предусмотренный документом, составляет 51 млрд рублей.

Нужно понимать, что пока этот документ представляет собой лишь проект, который еще не начали реализовывать. А чтобы быть конкурентоспособной в области квантовых технологий, России надо действовать немедленно. СССР был одним из лидеров в этой сфере — все Нобелевские премии советских и российских физиков связаны именно с достижениями в квантовой физике, то есть как раз они и осуществляли «первую» квантовую революцию. В стране еще остались научные группы, специализирующиеся на квантовой физике, но им срочно нужна поддержка как со стороны государства, так и от коммерческих заказчиков. Как подчеркнул Руслан Юнусов, в России одним из критических барьеров развития квантовых технологий является недостаточная консолидация научно-технологического сообщества и отсутствие прочных связей с индустрией.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры принципиально отличаются от традиционных ПК. Привычные нам компьютеры используют для хранения информации биты — поток электрических или оптических импульсов, представляющих значения 1 или 0. В основе же квантовых компьютеров лежат квантовые биты — кубиты.

В отличие от обычных битов, для которых возможны только состояния 1 или 0, кубиты могут находиться еще и в суперпозиции — наложении этих состояний. Чтобы поставить кубиты в состояние суперпозиции, исследователи используют точные лазеры и микроволновые лучи.

Еще одно важное свойство кубитов — квантовая запутанность, или зацепленность. При этом явлении два или более объекта находятся в одном квантовом состоянии, и изменение состояния одного кубита мгновенно изменит состояние и другого, даже если их разделяет большое расстояние.

Благодаря суперпозиции и квантовой зацепленности группа кубитов может обеспечить существенно большую вычислительную мощность, чем то же количество обычных бинарных битов. Однако у кубитов есть еще одно свойство, из-за которого квантовые компьютеры значительно больше подвержены ошибкам, чем обычные ПК. Это декогеренция — взаимодействие кубитов с окружающей средой, которое приводит к тому, что они перестают проявлять квантовое поведение. Квантовое состояние кубитов крайне неустойчиво: малейшая вибрация или шум могут привести к тому, что кубиты выйдут из суперпозиции до того, как закончат выполнение вычисления. Сейчас исследователи квантовых технологий работают над тем, чтобы защитить кубиты от внешнего воздействия, — для этого их помещают в суперохлаждаемые холодильники и вакуумные камеры.

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Дорогая улыбка Дорогая улыбка

Тамаз Мчедлидзе создал крупнейшую в России стоматологическую сеть

Forbes
Старикам везде у нас почет Старикам везде у нас почет

Самые уважаемые автомобильные марки в современной России

Автопилот
Теория и практика игр Теория и практика игр

Братья Игорь и Дмитрий Бухманы построили компанию Playrix

Forbes
Берегли вещь для особого случая? Используйте ее прямо сейчас! Берегли вещь для особого случая? Используйте ее прямо сейчас!

Выясняем, почему мы не используем то, что приобрели, и как с этим справиться

Psychologies
Шоссе энтузиастов Шоссе энтузиастов

Список автотрендов, которые уже не остановить

GQ
Дух свободы Дух свободы

Подчеркнуто мужское пространство со своей неповторимой атмосферой и харизмой

SALON-Interior
Путешествие в тарантасе с кокурками, скородумками и другим дорожным припасом Путешествие в тарантасе с кокурками, скородумками и другим дорожным припасом

Домашние припасы по-гоголевски

Наука и жизнь
Что это такое принцип Парето и как его применять Что это такое принцип Парето и как его применять

Оказывается, что 80% результата можно обеспечить 20% усилий

РБК
Неофициальные шестидесятые: от СМОГа до «ахматовских сирот» Неофициальные шестидесятые: от СМОГа до «ахматовских сирот»

Неофициальная поэзия 1960-х: поэтические содружества и авторы-одиночки

Полка
6 фильмов о дружбе, одержимости и соперничестве между женщинами 6 фильмов о дружбе, одержимости и соперничестве между женщинами

Фильмы, где связанные узами женщины переживают кризис идентичности

СНОБ
Мне нужны твои камбэки: чем хороша французская драма «(Не)бывшие» с Гийомом Кане? Мне нужны твои камбэки: чем хороша французская драма «(Не)бывшие» с Гийомом Кане?

почему стоит смотреть новую драму Стефана Бризе «(Не)бывшие»?

Правила жизни
Силиконовый остров Силиконовый остров

Как Тайвань стал главной мировой полупроводниковой державой

Деньги
За что держаться, когда думаешь, что мир рушится: концепция антихрупкости За что держаться, когда думаешь, что мир рушится: концепция антихрупкости

Что такое концепция антихрупкости, которая помогает выстоять?

VOICE
Александр Коршунов: «Вдохновение должно приходить в назначенное время» Александр Коршунов: «Вдохновение должно приходить в назначенное время»

Режиссер Александр Коршунов — о новом спектакле и театре «Сфера»

Монокль
Кокни пацана Кокни пацана

«Джентльмены»: образцовый Гай Ричи в восьми сериях

Weekend
Парус, лыжи, кошки, спиннинг… Парус, лыжи, кошки, спиннинг…

В кратер вулкана на лыжах и неделя «вне зоны действия сети»

Вокруг света
«Больше не значит лучше»: сколько общения нам нужно на самом деле «Больше не значит лучше»: сколько общения нам нужно на самом деле

Надо ли часто встречаться с друзьями и родственниками?

Psychologies
Сам себе профайлер Сам себе профайлер

Об основных психотипах и о том, как научиться их распознавать

Grazia
«Джентльмены»: каким получился сериал по мотивам криминальной комедии Гая Ричи «Джентльмены»: каким получился сериал по мотивам криминальной комедии Гая Ричи

Каким вышло шоу о буднях британских наркокартелей, истеблишмента и аристократии?

Forbes
Вороны-свистуны не унаследовали интеллект матерей Вороны-свистуны не унаследовали интеллект матерей

Когнитивные способности птенцы воронов-свистунов не наследуют от своих матерей

N+1
5 книг, в которых герои пускаются в рискованные авантюры 5 книг, в которых герои пускаются в рискованные авантюры

Интриги и преступления, страсть и предательство — все это найдется в этих книгах

Maxim
4 самых полезных продукта русской кухни 4 самых полезных продукта русской кухни

Солянка, разносолы, творог и каши: русские блюда, полезные для здоровья

Maxim
Арт-крайм Арт-крайм

О тема искусства как объекта преступного посягательства! Она бесконечна

Правила жизни
Как Ив-Сен Лоран исследовал обнаженное тело и освобождал женщин от условностей Как Ив-Сен Лоран исследовал обнаженное тело и освобождал женщин от условностей

Как Ив-Сен Лоран исследовал роль человеческого тела в искусстве XX и XXI веков

Forbes
Делай раз. Что будет, если отжиматься каждый день: плюсы и минусы упражнения Делай раз. Что будет, если отжиматься каждый день: плюсы и минусы упражнения

Сколько отжиматься каждый день можно на самом деле?

Лиза
Не пора ли подумать о протекционизме? Не пора ли подумать о протекционизме?

Протекционизма как системы защиты в России пока нет

Монокль
Красавица сойка Красавица сойка

У нее рыжеватое оперение, черные крылья и хвост, а перья на плечах ярко-голубые

Знание – сила
Полезный канцелярский товар: 7 крутых идей, как использовать клей ПВА в быту Полезный канцелярский товар: 7 крутых идей, как использовать клей ПВА в быту

Канцелярский клей предназначен не только для создания школьных поделок

ТехИнсайдер
Хендмейд-косметика Хендмейд-косметика

Так ли безопасна хендмейд-косметика, как может показаться?

Здоровье
Японский – простой язык Японский – простой язык

Сложности при изучении японского глубоко укоренены в самой японской ментальности

Знание – сила
Открыть в приложении