Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен

Квантовые компьютеры в разы превосходят обычные. IBM, Microsoft и Google уже внедряют их для решения узких задач в лабораториях и даже разрабатывают машины для коммерческого использования. В чем же их особенность? На простых примерах рассказываем, как работает квантовый компьютер и в чем его отличие от обычного.

Кубиты и суперпозиция, или почему обычных компьютеров уже недостаточно

Считывать, записывать, хранить и обрабатывать информацию — главное, для чего нужен обычный компьютер. Работа на нем связана с двумя важными параметрами — общей памятью и скоростью выполнения операций. Для представления информации такие машины используют биты. 

Бит — единица информации, которая принимает определенное значение, 1 или 0. Определенное — ключевое слово. Мы точно знаем, в каком значении находится бит. Представьте переключатель света — он либо включен, либо выключен. Мы можем это увидеть по горящей лампочке. Так же и с битами. 

Внутри компьютера это устроено так: 

• на материнской плате находится миллион транзисторов — полупроводников, которые нужны для управления электрическим током;
• каждый из транзисторов либо закрыт (позиция 0), либо открыт (позиция 1) и пропускает ток, при этом электроны пробегают по транзистору со скоростью, близкой к скорости света;
• пока транзистор включается и выключается, компьютер может производить вычисления — любая информация представляется в виде чисел, благодаря переключению с позиции 0 на 1 и наоборот.

Квантовый компьютер подчиняется другим законам. И тут важны два понятия:

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. 

1. Вероятность 

Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен?» некорректный в этой области физики, ведь на него не будет ответа, правильно — «Какова вероятность, что свет включен?».

Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками.

Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. 

2. Суперпозиция

Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией. 

И вот тут-то загвоздка — значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения. Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить. Запутано, правда? Именно поэтому квантовую механику понимают не все 🙂

Суперпозиция ускоряет работу алгоритмов. Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты. 

Какие задачи может решать квантовый компьютер

Кубиты помогают быстро обрабатывать данные, поэтому их применение почти безгранично:

Медицина

Квантовые технологии уже применяют для ускоренной разработки, тестирования лекарств и диагностики некоторых заболеваний на ранней стадии. Например, FAR Biotech исследует биоактивные молекулы и белки и новые структурные классы, которые невозможно было бы обнаружить без мощных квантовых компьютеров. Свои исследования компания направляет на борьбу с онкозаболеваниями. 

В теории в будущем квантовые вычисления откроют новые горизонты в генной инженерии, помогут создавать новые лекарства и моделировать ДНК. 

Прогнозирование 

От финансового сектора до прогноза погоды — кубиты просчитывают множество переменных в разы быстрее, чем обычные компьютеры. Это значит, что прогнозы станут точнее, можно будет определить скорость ветра, температуру, влажность, движение облачных масс за секунды. 

Криптография 

В 1994 году Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения числа на простые множители. В теории с его помощью компьютеры смогут взломать любые шифры — это прорыв в области криптографии и одновременно большой риск. 

Любые пароли, если технологию используют злоумышленники, не будут иметь значения — машина получит доступ к любой кредитке, разложив число на два простых множителя. Но для взлома понадобятся мощности, которых пока квантовые компьютеры не достигли. 

В ближайшие десятилетия, чтобы обеспечить конфиденциальность, ученым придется придумать новые методы шифрования и квантовой криптографии. 

Искусственный интеллект

Volkswagen применяет квантовые компьютеры для разработки беспилотных автомобилей на основе искусственного интеллекта, а Сбер вместе с другими технологичными компаниями будут развивать квантовые технологии для вычислений в ИИ, которые пригодятся в медицине, финансовой сфере, обработке данных и прогнозировании. 

Квантовые компьютеры в России и мире: какие модели уже есть и в чем проблема широкого применения

Первый работающий экспериментальный компьютер протестировали в 2001 году — им стал 7-битный образец компании IBM. С тех пор началась квантовая гонка и борьба за квантовое превосходство.

Квантовое превосходство — способность квантовых компьютеров решать задачи, на которые у обычных уйдут годы. 

Самый мощный квантовый компьютер в России пока содержит 16 кубитов. Разработка есть на различных платформах, в том числе на ионном процессоре. С помощью машины запущен алгоритм моделирования молекулы. К 2024 году российские ученые планируют увеличить число кубитов в отечественных ЭВМ до 50-100. На разработку выделили 24 млрд рублей. Россия активно включилась в квантовую гонку — для исследователей в области квантовой физики запустили мегагранты, а до конца 2024 в стране может появиться 100-кубитный квантовый компьютер.

А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology разработал, пожалуй, самый доступный квантовый компьютер для школ и колледжей. Его цена — $5 000, а по размеру он чуть больше обычного системного блока. Первые образцы китайского квантового компьютера отправились в Тайвань и Гонконг. 

В гонку стран включился даже Иран, правда, неудачно — в сети появилась новость об их удивительном квантовом компьютере. Но пользователей в интернете не так просто обмануть — подвох нашли быстро. Иранская разработка оказалась обычным процессором.

Пока купить квантовый компьютер могут лишь крупные компании и научные лаборатории, где цена будет оправдана. Но пока вычислительные машины на кубитах не настолько превосходят обычные ЭВМ и подходят лишь для определенного рода задач. Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру.

Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. 

Первые квантовые ЦОД

Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия. Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника. Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Ее нужно охлаждать до нуля по Кельвину, а это -273° по Цельсию. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. 

Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии. С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям.

Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут. Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города. Сеть позволит шифровать данные алгоритмом квантового распределения ключей, который усиливает защиту информации за счет своей симметричности. Первый видеозвонок по квантовой сети прошел успешно.

⌘⌘⌘

Квантовая гонка только началась, а значит, к развитию супермощных технологий будут подключаться всё больше стран. И тот, кто сумеет разработать супертехнологию, получит способ изменить мир вычислений. Пока возможности квантового компьютера ограничены — разработки находятся на первой стадии развития. Но облачные решения определенно ускорят внедрение квантовых технологий. 

А если вы ищете надежный хостинг для любых задач и вычислений, попробуйте Рег.облако — аренда сервера позволяет масштабировать ресурсы и оплачивать их по мере использования. Сейчас в Рег.облако доступны базовые, высокочастотные серверы и снэпшоты на разных панелях управления для продвинутых и начинающих пользователей.