🖥Что такое кубиты и какой компьютер сегодня лучший

Недавно в научном журнале npj Quantum Materials была опубликована статья японских ученых. Группа исследователей заявила, что их выводы могут создать предпосылки для разработки более эффективных и доступных квантовых компьютеров, способных функционировать в условиях, близких к комнатной температуре. При изучении сплава церия, родия и олова и определенном воздействии на это тяжелые фермионы начали проявлять способность к сверхпроводимости, да еще и оказались квантово запутанными, что и открыло перспективы для научного прорыва. Давайте разберемся во всем этом.
🔵Великий «вычислитель»
Итак, наши классические компьютеры бинарные, то есть работают на транзисторах, которые имеют всего два состояния (проводят ток — это 1, не проводят — это 0), и, как следствие, оперируют битами, то есть ноликами и единичками. А квантовые «системники» оперируют кубитами, которые находятся одновременно во всех состояниях между 0 и 1, но при измерении коллапсируют в привычные нам значения, и мы можем получить некий ответ.
Это примерно как смотреть на пропеллер самолета невооруженным глазом, мы видим лишь размытый круг, но, если сфотографировать его с фантастически короткой выдержкой, мы сможем увидеть, в каком положении находились лопасти в момент съемки, однако, пока мы не нажали на кнопку, лопасти для нас находятся во всех положениях одновременно.
Можно сравнить квантовую «машину» с классической на одном простом примере. Если им обеим поставить задачу найти выход из лабиринта, то привычная нам умная техника будет просчитывать все пути и искать правильный, а квантовый «умник» просто нальет в лабиринт воду и посмотрит, где она начнет выливаться. Ведь все возможные значения у него уже есть. Строго говоря, называть эту систему компьютером в нашем классическом понимании не совсем правильно, это скорее «вычислитель».
Что же получится, если в теории предложить ему найти ключи к самым современным протоколам шифрования? Ну, он их отыщет за крайне короткое время. А еще мы, вероятно, сможем открыть тайны мироздания, лекарство от рака и дополнительно огромное множество всяких полезных вещей.
🔵Прикоснуться к фантастике
Некоторые могут задаться вопросом, где бы такую штуку раздобыть? Кто-то, возможно, слышал про астрономическую стоимость таких систем, охлаждение жидким азотом, подземные лаборатории… Удивлю, такую «мудреную штучку» реально купить. Стоит в зависимости от комплектации несколько дороже среднестатистического классического компьютера.
Очевидно, что взломать все банки мира и узнать все секреты интернета у вас не получится, иначе вы не смогли бы рассчитаться кредитной карточкой за этот «вычислитель».
Так что же с ним можно делать прямо сейчас? Сразу оговорюсь: если вы и правда купили такую «безделицу», то личность вы крайне неординарная и явно живете очень интересной жизнью. А после такой покупки вы еще сможете хвастаться всем своим друзьям, что у вас дома есть настоящий квантовый «кудесник», и даже показывать его гостям. Еще можно накачать в интернете алгоритмов для него и там их запускать без всякого практического смысла. Пожалуй, это все, что с ним можно делать. Обидно, да?
🔵Суровая реальность
Мы привыкли, что чем больше в процессоре транзисторов, тем он мощнее. Это же правило применимо и к квантовым «игрушкам», но в отличие от «классики» они являются аналоговыми устройствами, а не цифровыми. Мы же буквально пытаемся использовать кванты для вычислений, и, как следствие, в любом кубите есть некая погрешность, так называемый шум. Чем больше кубитов мы задействуем, тем больше будет погрешность.
И это не единственная проблема, для нормальной работы кубиты должны быть связаны, ну то есть два любых из них должны иметь возможность выполнять между собой некие операции, это называется «полносвязная система». Но пока как-то адекватно реализовать такой тип взаимодействия не удалось. Связать их, конечно, можно с помощью других кубитов, что опять же увеличивает накопленную ошибку.
А теперь вишенка на торте. Любой существующий квантовый комп обладает временем когерентности, то есть промежутком времени, в котором сохраняется возможность вычислений. К примеру, у сверхпроводниковых кубитов это в лучшем случае до 100 миллисекунд (мс). И это не тот случай, когда мы можем решать задачу по частям, нам надо получить ответ сразу. То есть чем сложнее задача, тем больше кубитов нам надо. И вот в этот момент мы вспоминаем, что чем их больше, тем больше будет и величина погрешности, делающая эту затею бесполезной.
🔵Практика применения
И вот мы подошли к вопросу: где квантовые «считалки» используют на практике? Практически нигде, с их помощью решают крайне специализированные абстрактные математические задачи. Предполагалось, что с развитием технологии эти «машинки» смогут предсказывать свойства молекул, но тут подошли нейросети и сказали, что это все как-то сложно и непонятно, просто скажите нам, какие свойства молекулы вам нужны, и мы это сделаем. И ведь сделали.
В прошлом году Гугл предложил 5 миллионов долларов тому, кто придумает, как эти квантовые «игрушки» можно применить в реальной жизни. Такой вот кризис жанра.
А что с теми персональными «вычислителями», которые можно приобрести для домашнего использования? Ну, мощность того, что можно приобрести за относительно вменяемые деньги, всего два кубита. Так почему тогда квантовые вычислители продают в бытовом исполнении? Только потому, что люди их покупают. Это интересный высокотехнологичный сувенир для энтузиастов.
В то же время, если ничего не исследовать, то ничего нового и не узнаешь, такова суть прогресса. Когда-то будущее для квантовых вычислителей, возможно, и наступит, хотя лично я в перспективы аналоговых систем не верю, но на сегодняшний день ситуация вот такая. И возвращаясь к началу материала. Сегодня в народном хозяйстве использовать квантовые вычислители невозможно решительно никак. А что касается открытия японских ученых, может, оно когда-то и приведет к прорыву, и это исключать нельзя, но ответ даст только время.
🔵Температурное понижение
В открытии японских ученых поразительно то, что необычные свойства сплава церия, родия и олова сохраняются при температуре, близкой к комнатной. Обычно квантовые эффекты наблюдаются только при экстремально низких температурах, что создает серьезные технические препятствия для практического применения. Новое открытие может кардинально изменить подходы к обработке квантовой информации и создать предпосылки для разработки более эффективных и доступных квантовых компьютеров, способных работать в условиях, близких к комнатной температуре.
🔵В ТЕМУ
На данный момент дела с квантовыми «вычислителями» обстоят примерно так:
Google — 77 кубит,
Rigetti — 80 кубит,
IonQ — 29 кубит.
То есть вычисления пока даже теоретически можно выполнить на мощностях до 100 кубит, а дальше накопленная ошибка делает результат абсолютно бесполезным. Просто справочно: для решения реальных задач нужна система в несколько миллионов полносвязных кубитов.
Юрий ТЕРЕХ