Какими темпами будет расти производительность современных компьютерных чипов? Могут ли квантовые компьютеры стать ответом на вопрос о будущем? Что такое квантовые компьютеры и как они устроены?
В чем разница между ними и классическими компьютерами? Можно ли использовать их в повседневной жизни или это будут только суперкомпьютеры, применяемые в научных и военных целях? Вот некоторые из вопросов, на которые мы попытаемся ответить в этой статье.
Классические компьютеры, созданные на заре электроники и дошедшие до наших дней, работают по одному основному принципу. У них есть конечное число состояний, называемых битами, которые можно загружать и выгружать — так называемые нули и единицы.
Комбинация нулей и единиц создает знаменитый двоичный код, который используется для кодирования цифровой информации, вычисления алгоритмов и т. д.н. Проще говоря, представьте себе, что это монета, которая может быть языком или туром.
Теперь, если представить монету во вращающемся состоянии, она не является ни языком, ни туром, но имеет определенную вероятность быть одной из них. Вот как работают квантовые биты — сокращенно Q-биты, — которые лежат в основе квантовых компьютеров.
Они основаны на принципах квантовой физики и касаются состояния атомов и их электронов, которое характеризуется так называемой суперпозицией. Это также похоже на вращающуюся монету — состояние, в котором существует определенная вероятность того, что электрон находится в возбужденном или заземленном состоянии.
Когда у нас много атомов и электронов, мы имеем бесконечно много комбинаций возможных состояний электронов. В этом кроется потенциально огромная вычислительная мощь квантовых компьютеров. Однако на данный момент они сталкиваются с серьезными техническими проблемами, что не позволяет им найти практическое применение.
В первую очередь, количество Q-битов, с которыми работают современные экспериментальные квантовые компьютеры, очень ограничено. Они могут стабильно функционировать в диапазоне порядка нескольких сотен Q-бит, что крайне недостаточно. Чтобы иметь сколько-нибудь значимое практическое применение, квантовые компьютеры должны достичь операционных уровней в десятки и даже сотни тысяч Q-битов.
Давайте посмотрим, как устроены некоторые из самых передовых моделей квантовых компьютеров в мире. Думаю, нет ничего удивительного в том, что компании, занимающиеся этим, — известные гиганты Кремниевой долины. Лидерами в области квантовых разработок являются Google, IBM, Intel, Microsoft и некоторые другие, и все больше новых игроков присоединяются к гонке.
В основе квантового компьютера, как и в обычных компьютерах, лежит процессор, который в данном случае называется QPU — Quantum Processor Unit.
Процессор изготовлен из сверхпроводящих материалов, таких как алюминий и ниобий, помещенных в кремниевую подложку, подобно классическим чипам. На этой презентации Google вы можете увидеть их квантовый чип, который очень похож на обычный компьютерный процессор. Здесь есть основание чипа, а также десятки выступающих штырьков, немного увеличенных в размерах, но напоминающих штырьки на классических процессорах.
Процессор установлен на так называемом криостате — огромной структуре, похожей на полилинию, которая призвана поддерживать процессор при температуре, близкой к абсолютному нулю — 273°C.
Десятки проводов, идущих по всей длине криостата, ведут от каждого из многочисленных контактов процессора и обеспечивают интерфейс ввода/вывода.
Они соединены с этими большими машинами сбоку, которые являются контроллерами, принимающими и передающими информацию в процессор и из него.
Одна из главных технических проблем квантовых чипов заключается в том, что они сильно страдают от помех, так называемого шума, который не позволяет им работать стабильно. Именно поэтому квантовые чипы должны работать при таких низких температурах — близких к абсолютному нулю, что сводит к минимуму тепловое движение частиц, а значит, минимизирует шум и ошибки. Это происходит потому, что квантовые компьютеры работают на атомном уровне.
Можно сказать, что в аппаратном плане квантовые компьютеры находятся в зачаточном состоянии. Как и первые классические компьютеры, они могут работать только в огромных комнатах, полных сложных приборов и криостатов.
Квантовых битов пока очень мало, так же как первые компьютеры работали всего с несколькими десятками битов. Даже во внешнем виде квантовых компьютеров есть что-то крайне ретро, как будто они вышли из стимпанк-фэнтези, а не находятся на острие современных технологий.
Однако потенциал квантовых компьютеров превосходит даже самые смелые ожидания, и он может быть реализован гораздо раньше, чем мы думаем. Вот некоторые из областей, в которых квантовые компьютеры могут добиться революционных результатов.
Когда квантовые компьютеры достигнут зрелости, они смогут выполнять ранее невозможные вычисления, моделируя процессы в природе. На молекулярном уровне природа работает на квантовых принципах, поэтому достижение такого типа вычислений даст неограниченные возможности для моделирования поведения различных материалов. Даже изобретение ранее невиданных материалов, лекарств, химикатов и т.д.н.
Этот тип вычислительной мощности может дать ответы на такие вопросы, как происхождение Вселенной, черные дыры, жизнь звезд и другие вопросы, которые волнуют науку на протяжении веков.
И вот тут-то становится немного страшно. Благодаря своей невероятной вычислительной мощности первые квантовые компьютеры смогут взломать любой пароль и любой вид шифрования, выполненный с помощью обычных компьютеров. Современный тип шифрования, так называемое RSA-шифрование, является основой интернет-безопасности, используется для банковских переводов, шифрует пароли всех пользователей и т.д.н. Идея заключается в том, что RSA-шифрование делает невозможным взлом информации стандартным способом с помощью чистой вычислительной мощности. Причина в том, что даже с самыми мощными современными компьютерами взлом одного такого пароля займет тысячи лет.
Однако квантовые компьютеры смогут делать это за несколько дней или даже часов. Поэтому США, Китай и другие ведущие мировые державы ведут гонку за квантовое превосходство, ведь считается, что тот, кто первым достигнет необходимого уровня развития, сможет получить доступ к военным секретам противника.
В качестве метода противодействия этому говорят о квантовом шифровании, но для этого тоже нужны работающие квантовые компьютеры.
Еще одна область, в которой квантовые компьютеры могут принести большую пользу и которая развивается параллельно с ними, — это, конечно же, искусственный интеллект. Google даже называет свою исследовательскую лабораторию Квантовым кампусом ИИ — то есть искусственный интеллект является основной сферой применения разрабатываемого Google компьютера.
Стремительное развитие искусственного интеллекта уже сейчас вызывает множество вопросов. Например, возможность создания в ближайшем будущем симуляций — так называемых Deepfakes, которые неотличимы от реальности. Возможно, искусственный интеллект заменит довольно много профессий. Способность вечно адаптирующегося алгоритма манипулировать общественным мнением в соответствии с заданными параметрами. Все эти и многие другие вопросы волнуют общество уже сейчас, и давайте представим, что произойдет, если в ближайшем будущем искусственный интеллект получит прирост вычислительной мощности в астрономических масштабах.
Все это заставляет нас задуматься.
Наконец, я упомяну о некоторых заслуживающих внимания разработках в области квантовых вычислений.
Как мы уже упоминали, одной из ведущих компаний является Google со своим квантовым искусственным интеллектом.
Еще одна ведущая компания — IBM со своей Quantum System two. IBM стремится создать модульную систему, объединяющую квантовые и цифровые вычислительные системы для работы в симбиозе.
Квантовая система два позволит объединить множество таких модулей, похожих на большие центры обработки данных, для достижения еще большей производительности. Цель IBM — к 2033 году. для достижения вычислительной мощности в 100 000 Q-бит.
Неудивительно, что ведущий производитель компьютерных процессоров, Intel, также разрабатывает свой собственный квантовый компьютер.
Текущий квантовый чип Intel называется Tunnel Falls. Эта технология позволяет Intel использовать преимущества своей огромной инфраструктуры производства чипов для создания большого количества квантовых процессоров, которые могут принести пользу многим исследователям.
Другая известная компания Microsoft разрабатывает свой проект под названием Azure Quantum. Я не смог найти ни конкретной информации о них, ни реальных кадров, кроме этих компьютерных анимаций.
И наконец, игрок, не известный в мире классических компьютеров и полностью ориентированный на квантовые IonQ. Также я не могу сказать о них ничего особенного, кроме того, что это компания, занимающаяся только этим, и у них даже есть канал на youtube, где они выложили несколько видеороликов, посвященных возможностям, которые квантовые компьютеры могут открыть человечеству, но без особых подробностей о самом проекте.
Ну что ж, друзья, надеюсь, что этой статьей я пролил столь необходимый свет на текущее развитие квантовых компьютеров, что они собой представляют и чего мы можем ожидать от них в ближайшем будущем. Если вам понравилось, не забывайте регулярно посещать блог mascomsoft.ru, где вы сможете найти еще много интересных материалов.
