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

Это еще не крах, но очень неприятно Это еще не крах, но очень неприятно

Нестыковки в нацпроектах отодвигают начало ускорения экономического роста

Эксперт
Как по нотам Как по нотам

Никола Мельников об источниках вдохновения и подходе к пониманию искусства

Men Today
Теория и практика игр Теория и практика игр

Братья Игорь и Дмитрий Бухманы построили компанию Playrix

Forbes
Расчлененка, порнография и мрачный взгляд на любовь: каким получился новый фильм Йоргоса Лантимоса? Расчлененка, порнография и мрачный взгляд на любовь: каким получился новый фильм Йоргоса Лантимоса?

«Виды доброты»: отрубленные пальцы, порнография, танцующие собаки, бассейны слез

Правила жизни
Казнь мятежников Казнь мятежников

Мятежники были приговорены к смертной казни через повешенье

Дилетант
Как звезда «Унесенных ветром» подстроила знакомство Грейс Келли с князем Монако ради своего мужа Как звезда «Унесенных ветром» подстроила знакомство Грейс Келли с князем Монако ради своего мужа

История любви Грейс Келли и князя Монако Ренье III – одна из самых красивых

VOICE
100 самых сексуальных женщин страны: 100-53 100 самых сексуальных женщин страны: 100-53

Итоговый рейтинг «100 самых сексуальных женщин страны – 2019»

Maxim
5 вредных мифов о психиатрии, которые мешают вовремя получить помощь 5 вредных мифов о психиатрии, которые мешают вовремя получить помощь

Какие мифы о психиатрии встречаются чаще всего и что лежит в их основе?

Psychologies
Для кого звонит рассветный колокол новой деревни? Для кого звонит рассветный колокол новой деревни?

Факторы эффективности проектов развития территорий на примере движения Сэмаыль

Позитивные изменения
Химики перепаяли коллоидный раствор циклодекстрина в нужную форму Химики перепаяли коллоидный раствор циклодекстрина в нужную форму

Как коллоидный раствор циклодекстрина ведет себя на границе раздела вода-толуол

N+1
Как почистить посудомоечную машину в домашних условиях Как почистить посудомоечную машину в домашних условиях

Рассказываем, как быстро и легко вымыть посудомоечную машину

CHIP
8 случаев внезапных смертей глав государств 8 случаев внезапных смертей глав государств

Президенты, умершие насильственной смертью или в результате несчастных случаев

Maxim
«Когда у тебя много детей, остается сильно меньше времени, чтобы думать о смерти». Интервью с режиссером Николаем Хомерики «Когда у тебя много детей, остается сильно меньше времени, чтобы думать о смерти». Интервью с режиссером Николаем Хомерики

Режиссер Николай Хомерики о сериале «Чистые», Петербурге, кино и смерти

СНОБ
Что такое маховик и для чего он нужен. Устройство и неисправности Что такое маховик и для чего он нужен. Устройство и неисправности

Все о маховике: что это и для чего нужно в автомобиле

РБК
Максим Севриновский: «Я сомневаюсь до конца» Максим Севриновский: «Я сомневаюсь до конца»

Исполнитель главных ролей о том, из чего состоит актерская профессия

Монокль
«Ставить дружбу выше истины»: каково это — быть настоящим другом «Ставить дружбу выше истины»: каково это — быть настоящим другом

Дружба складывается не из схожестей людей, а из моментов, в которых они разнятся

Psychologies
«Жены приходят и уходят, а мама — одна»: как и почему матери вредят взрослым сыновьям «Жены приходят и уходят, а мама — одна»: как и почему матери вредят взрослым сыновьям

Какие ошибки матери и сыновья совершают на пути сепарации?

Psychologies
Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей

Гид по самым известным голливудским семьям

Правила жизни
Осторожно, у вас гений. Как помочь ребенку, опережающему в развитии Осторожно, у вас гений. Как помочь ребенку, опережающему в развитии

Как воспитывать ребенка, если он вундеркинд?

СНОБ
Сериал «Олененок»: почему история о сталкинге так затягивает Сериал «Олененок»: почему история о сталкинге так затягивает

Как и почему сериал о сталкинге «Олененок» завоевал так много поклонников

Psychologies
Самые известные подкаблучники в истории Самые известные подкаблучники в истории

Принято считать, что мужчины доминируют в семье, но у всех ли так?

Maxim
Путь Лиланда Стэнфорда от «барона-разбойника» к символу креативной экономики Путь Лиланда Стэнфорда от «барона-разбойника» к символу креативной экономики

Как лихой «барон» потратил свой капитал на создание культурного наследия

Forbes
Лайфхак на лето! Вот как фрукты помогают избегать обезвоживания: простой совет Лайфхак на лето! Вот как фрукты помогают избегать обезвоживания: простой совет

Как фрукты и овощи могут удовлетворить потребность в жидкости

ТехИнсайдер
Олимпийские инновации 24-26-28 Олимпийские инновации 24-26-28

Какие новые виды спорта мы увидим на Играх в 2024–2028 годах, чем они интересны?

ТехИнсайдер
Семейное дело: как дети режиссеров идут по стопам родителей и строят карьеру в кино Семейное дело: как дети режиссеров идут по стопам родителей и строят карьеру в кино

Профессию в киноиндустрии «наследуют» не только актеры, но и режиссеры

Forbes
Родиной баобабов назвали Мадагаскар Родиной баобабов назвали Мадагаскар

Общий предок баобабов появился на Мадагаскаре 41,1 миллиона лет назад

N+1
6 книг, которые помогут увеличить ваш социальный капитал 6 книг, которые помогут увеличить ваш социальный капитал

Подборка книг для исследования ваших социальных связей и развития эмпатии

Psychologies
Екатерина Стулова: «Если меня любят, то я готова прыгать через костер, бегать по снегу» Екатерина Стулова: «Если меня любят, то я готова прыгать через костер, бегать по снегу»

Для меня все проекты являются самыми психологически и физически затратными

Коллекция. Караван историй
Популярность Майнкрафта. Почему эта игра всем нравится Популярность Майнкрафта. Почему эта игра всем нравится

В чем секрет успеха игры, у которой нет главного – конечной цели?

Цифровой океан
Медные слитки из минойского дворца Агия-Триада отлили из уральской руды Медные слитки из минойского дворца Агия-Триада отлили из уральской руды

Ученые проанализировали состав 15 медных слитков, обнаруженных на Крите

N+1
Открыть в приложении