Обещание квантовой вычислительной революции
Квантовые технологии обещают произвести революцию в вычислениях, сравнимую по значимости с появлением интегральных схем в 1950–1960-х годах. Эврим Язгин помогает нам освоить основы квантовых вычислений сегодня, чтобы представить, куда нас приведут квантовые симуляторы завтра. Эта статья впервые опубликована в журнале Cosmos Print в декабре 2024 года.
Интегральные схемы — основа современных «классических» вычислений. В ноутбуке или персональном компьютере могут быть сотни таких микросхем. Их размер означает, что мобильные телефоны теперь обладают вычислительной мощностью, в тысячи раз превышающей мощность самых мощных суперкомпьютеров, созданных в 1980-х годах.
С 1990-х годов суперкомпьютеры стали популярными. Самый мощный суперкомпьютер в мире, Frontier, расположенный в США, имеет в миллион раз больше вычислительной мощности, чем топовые игровые ПК. Но эти устройства всё ещё основаны на классической технологии интегральных схем и поэтому ограничены в своих возможностях.
Квантовые компьютеры обещают обрабатывать вычисления в тысячи, даже миллионы раз быстрее, чем современные компьютеры. Но мы ещё не достигли этого.
Квантовые вычисления: основы
Квантовые компьютеры разрабатываются уже несколько десятилетий. Эти устройства используют принципы квантовой механики — которые производят странные и, казалось бы, магические эффекты — для машин, которые могут делать то, что невозможно на современных классических компьютерах.
Классические компьютеры используют биты — нули и единицы — для кодирования информации в виде двоичных сигналов в транзисторах своих интегральных схем. Квантовые компьютеры используют квантовые биты — кубиты. Они могут кодировать информацию как нули, единицы или смесь нуля и единицы благодаря квантовому явлению, известному как суперпозиция.
Частицы в суперпозиции состояний не определяются едиными значениями своих физических свойств. Вместо этого эти физические свойства выражаются в виде вероятностей. Инженеры могут использовать суперпозиции для хранения многомерных вычислительных данных в кубитах гораздо большей сложности, чем в обычном классическом бите.
Расширение эффектов суперпозиции на несколько систем — или атомов — приводит к квантовой запутанности. Это явление, которое Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», может быть использовано для связывания кубитов вместе, что приводит к таким перспективам, как не поддающееся взлому шифрование.
Но та же квантовая механика, которая даёт квантовым компьютерам их огромный потенциал, означает, что их крайне сложно фактически произвести.
Квантовые компьютеры: проблемы и перспективы
Гэвин Бреннен, профессор Университета Маккуори в Сиднее и директор Центра квантовой инженерии Маккуори, объясняет, почему это так.
«Проблема всего квантового в том, что если мы посмотрим на мир вокруг нас, он не очень квантовый. Мы не ходим сквозь стены. Мы не находим объекты в суперпозициях. Когда вещи становятся больше и теплее, они действуют менее квантово», — говорит Бреннен.
«Если вы работаете с одним электроном, он будет вести себя очень квантово. Или, может быть, один атом — который является совокупностью электронов, протонов и нейтронов — может вести себя довольно квантово. Но когда вы пытаетесь заставить тысячи таких вещей вести себя квантово, это очень сложно».
Бреннен говорит, что это связано с эффектом, называемым «декогеренцией». «Это шум. Чем больше вещей вы контролируете, тем больше они могут взаимодействовать. И те вещи, с которыми они взаимодействуют, получают информацию. Ваша квантовая система теряет информацию, и когда она это делает, она теряет свойства, которые делают её квантовой», — объясняет Бреннен.
Квантовая коррекция ошибок
Квантовая коррекция ошибок — один из способов борьбы с декогеренцией. Идея состоит в том, чтобы разработать алгоритмы, используя больше кубитов, чтобы увеличить избыточность в квантовой системе и уменьшить потерю сигнала. Это немного похоже на наличие дополнительных копий.
В конце концов, такие методы приведут к тому, что квантовые устройства смогут делать то, что сегодня не могут делать компьютеры.
Квантовые химики в ожидании
Среди людей, наиболее заинтересованных в появлении квантовых компьютеров, — квантовые химики.
«ООН объявила следующий год, 2025-й, Международным годом квантовой науки и технологий», — говорит Амир Картон, профессор Университета Новой Англии в Новом Южном Уэльсе. «Это, по сути, знаменует 100 лет с момента появления уравнения Шрёдингера».
Картон объясняет, что это фундаментальное уравнение, разработанное Эрвином Шрёдингером в 1925 году, описывает квантовую механику различных систем. Решите уравнение для системы, и вы сможете понять её свойства.
«Мы смогли решить уравнения Шрёдингера для очень маленьких молекул или очень маленьких систем с небольшим количеством электронов за последние 100 лет», — объясняет Картон. «Например, решение уравнения для молекулы водорода было сделано в 1920-х годах».
Системы с большим количеством электронов и других субатомных частиц требуют решения более сложных наборов уравнений. Картон говорит, что решение чего-либо с более чем несколькими электронами было невозможно до появления суперкомпьютеров в 1990-х годах.
«То, что мы смогли сделать за последние 5 или 10 лет, — это смоделировать реальные химические системы — молекулы и материалы», — говорит Картон. «Это позволяет нам разрабатывать более эффективные лекарства, более эффективные катализаторы, более эффективные материалы для различных применений без необходимости идти в лабораторию».
Квантовые симуляторы: практика
Доктор Йорис Кейзер — исследователь из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) и компании Silicon Quantum Computing (SQC).
«Существует набор проблем, в основном в квантовой химии и материаловедении, которые на самом деле являются квантовыми системами, которые мы пытаемся понять», — говорит Кейзер. «Это важные вещи для разработки лекарств и так далее».
Кейзер повторяет, что: «Если вы хотите смоделировать такую систему с помощью универсального квантового компьютера — того, который использует вентили, — для этого потребуется полноценный квантовый компьютер. Идея квантового моделирования заключается в следующем: почему бы нам не создать квантовую систему, которую мы действительно можем спроектировать, которая имитирует квантовые свойства той системы, которую вы пытаетесь смоделировать?»
«Это просто квантовая система, имитирующая квантовую систему — но это квантовая система, которую мы можем спроектировать и контролировать».
Это сводится к копированию математических представлений молекул на другие квантовые системы.
«Давайте представим, что вы хотите смоделировать молекулу», — говорит Кейзер. «Эта молекула описывается гамильтонианом. Это становится довольно техническим, но гамильтониан — это математическая функция, которая описывает квантовую систему. Вся молекула может быть описана с помощью гамильтониана».
Эта функция становится очень сложной, если молекула становится больше. Она достигает точки, когда вы больше не можете решить эту функцию. Однако вы можете сопоставить этот гамильтониан с другой квантовой системой, которую вы создаёте. Вы можете использовать это для создания своей собственной квантовой системы, которая математически, по крайней мере, будет точно такой же, как квантовая система, которая вас интересует.
Звучит достаточно просто? Но многие проблемы, мешающие исследованиям «полноценных квантовых компьютеров», также мешают квантовым симуляторам.
Квантовые проверки и балансировки
Сколько времени потребуется, чтобы увидеть, как квантовые симуляторы делают то, что не могут суперкомпьютеры? Трудно сказать.
«Проблема в том, как мы узнаем, что то, что он сделал, правильно?» — спрашивает Бреннен. «Потому что он может сделать что-то, что суперкомпьютеру слишком сложно имитировать, но ответ, который он дал, может быть неправильным. Это то, с чем поле борется».
Картон подчёркивает, что квантовые симуляторы будут опираться на достижения квантовой механики и вычислений, которые были достигнуты в предыдущие десятилетия.
«На этом начальном этапе единственный способ развития этих новых технологий — это наличие надёжных данных из квантовой механики, полученных на суперкомпьютерах», — говорит Картон. «Если бы у нас не было этих данных для оценки производительности этих новых технологий, не было бы способа их разработать, потому что вы не знали бы, работают ли они».
«Я согласен, что квантовые симуляторы — это более близкая перспектива для этих квантовых устройств, и люди научились кое-чему из физики, запустив эти аналоговые симуляторы», — добавляет Бреннен. «Многие из них изучили возможности, а также недостатки некоторых своих систем. Иногда вы не знаете, на что способна ваша система, пока не попробуете её на задаче, которую можно проверить».
Сколько времени займёт этот процесс? Это всё ещё игра в угадайку.
«Я подозреваю, что мы увидим симулятор в течение, скажем, 5 лет, который будет делать то, что мы просто не сможем отследить за разумное количество времени», — говорит Бреннен. «И под разумным я имею в виду, например, жизнь на суперкомпьютере.
«Теперь вопрос в том, решит ли он интересную задачу. Это другой вопрос. Возможно, нет. Возможно, он будет моделировать очень искусственную вещь, которая существует только для того, чтобы показать, что мы можем сделать то, что вы не можете сделать на суперкомпьютере».
«Я думаю, что техника существует», — говорит Кейзер. «Это просто вопрос небольшого продвижения вперёд, дополнительных инвестиций. Но это может стать реальностью в течение нескольких лет, когда мы сможем коммерциализировать это и позволить клиентам получать доступ к нашим системам для запуска квантовых симуляций».
Мы, похоже, достигли критической стадии в разработке квантовых симуляторов, которые могут исследовать квантовые проблемы, которые до сих пор были практически неразрешимы с помощью современных технологий.
Исследователи, работающие над этими проектами, настроены оптимистично. И они понимают влияние, которое такое развитие окажет. Мы можем стать свидетелями открытия шлюзов.
«Это может быть одним из величайших достижений человечества — получить квантовый компьютер», — говорит Бреннен.
И шлюзы, скорее всего, будут открыты с помощью квантового симулятора.