Самый мощный квантовый компьютер в мире
В России создадут 100-кубитный квантовый компьютер — Российская газета
К 2024 году в России планируют создать квантовый компьютер со 100 кубитами - элементами хранения информации, основанными на квантовых технологиях. Такая цель прописана в дорожной карте "Квантовые вычисления", которую утвердила Правительственная комиссия по цифровому развитию. Разработчиком документа выступила госкорпорация "Росатом".
Это первая дорожная карта, утвержденная в рамках федерального проекта "Цифровые технологии", рассказал замглавы Минкомсвязи Максим Паршин. Он отметил, что министерство готово оказывать максимальную поддержку ее реализации, учитывая высокий потенциал квантовых вычислений.
Пока квантовые технологии во всем мире находятся на стадии научных исследований. Однако уже сейчас понятно, что благодаря им человечество может достичь совершенно новой скорости вычислений, поэтому многие страны вкладывают в их развитие.
Основной фокус новой дорожной карты - решение исследовательских и инженерных задач в области квантовых вычислений, а также формирование инфраструктуры, запуск тематических образовательных программ, создание консорциумов с индустриальными партнерами.
Карту разрабатывали в тесной связке с представителями научного и экспертного сообщества, рассказала Екатерина Солнцева, директор по цифровизации "Росатома". Теперь важно перейти к ее практической реализации, чтобы сформировать необходимую научно-технологическую экосистему и обеспечить к 2024 году конкурентоспособность российских технологий квантовых вычислений.
IBM представила самый мощный квантовый компьютер
IBM представила квантовый компьютер с объемом 64. Это делает систему самой мощной из тех, что сейчас доступны пользователям.
Исследователи объяснили, что более высокий квантовый объем расширяет возможности системы. Благодаря такому высокому квантовому объему исследователи могут использовать вычисления для решения ресурсозатратных проблем в различных отраслях промышленности.
В будущем компания IBM хочет продолжать создавать самые передовые в мире квантовые системы. Только за последние четыре года IBM сделала 28 квантовых компьютеров, 8 из них появились в этом году. Сегодняшняя расширенная система будет доступна в сети IBM Q в ближайших релизах и улучшениях программных сервисов IBM Cloud, а также в кросс-платформенном наборе для разработки ПО с открытым исходным кодом Qiskit.
IBM Q Network — это сообщество компаний из списка Fortune 500, академических институтов, стартапов и национальных исследовательских лабораторий, работающих с IBM для продвижения квантовых вычислений. Сейчас сеть насчитывает 115 клиентов, правительственных групп, стартапов, генеральных партнеров и университетских членов, а количество зарегистрированных пользователей квантового сервиса IBM превышает 250 тыс. человек.
Ранее ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый прибор «три в одном», который может одновременно выполнять три вида измерений в масштабе атомов. Вместе эти измерения могут открыть новые знания о широком спектре специальных материалов, которые имеют решающее значение для разработки квантовых компьютеров следующего поколения, средств связи и множества других приложений.
Читайте также:
— Почему ученым так интересна Церера? Все о планете, на которой активно ищут жизнь
— В России сконструировали «неубиваемый» дрон
— Взрыв сверхновой мог стать причиной массового вымирания на Земле
Клуб интеллектуалов Newsland – комментарии, дискуссии и обсуждения новости.
В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, — это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит — это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, — рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. — Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».
Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, — полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. — Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».
Представлен самый мощный квантовый компьютер
Американская корпорация Honeywell объявила о создании самого мощного квантового компьютера в мире.
В компании говорят о том, что они измерили мощность компьютера, применив особенную метрику — «квантовый объем» (разработанный IBM). Она учитывает количество квантовых бит «кубитов», а также и другие важные характеристики в квантовых вычислениях как, например, частоту ошибок.
Компьютер имеет квантовый объем — 64. Предыдущее «квантовое» достижение — это процессор Sycamore от Google в 53 кубита. По словам разработчиков, новый подход, который лег основу компьютера больше не основывается на простом количестве кубитов, но также и на их качественном уровне, главным образом, на проценте их ошибок. По словам главы компании, Тони Утли, только учитывая эти характеристики, можно понять реальную мощность квантового компьютера.
Как заявляет Уитли, первые конкретное применение квантовых суперкомпьютеров настанет тогда, когда обычные суперкомпьютеры не смогут выполнять сложные вычисления. Именно тогда и придет время квантовых компьютеров, использующий другой подход, который позволит осуществлять более сложные операции.
Стоит отметить, что превосходство квантового компьютера перед классическим заключается в том, что квантовый вычислитель оперирует не обычными битами, а квантовыми — кубитами. В отличие от битов, которые в каждый момент времени могут находиться только в одном из двух состояний — 0 или 1, кубиты принимают оба эти значения с некоторой вероятностью.
Wikipedia
Китай заявил, что создал самый мощный квантовый компьютер
Китайский физик из Университета науки и технологий в городе Хэфэй Пан Цзяньвэй (Pan Jianwei) в начале сентября заявил, что они создали самый мощный квантовый компьютер. Сейчас ученые во всем мире спорят, так ли это на самом деле.
Китайский квантовый компьютер действительно самый быстрый?
Пока нельзя сказать однозначно. Команда разработчиков еще не предоставила документ с точными характеристиками компьютера и его работы. Машина, по устным заверениям создателей, по мощности в миллион раз опережает квантовый Sycamore, созданный Google. При этом Пан Цзяньвэй предупреждает, что результаты предварительные и «нуждаются в дальнейшей проверке».
Что касается скорости американского экземпляра — в прошлом году в Google подсчитали, что Sycamore способен за 200 секунд выполнить расчеты, на которые у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет.
Правда, некоторые специалисты усомнились в результатах сравнения. IBM, например, утверждает, что при расчетах Google использовала устаревший алгоритм, который увеличил время работы суперкомпьютера над определенным количеством задач с двух с половиной дней до более чем 10 000 лет. Значит, вычисления некорректны.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Если совсем упростить, квантовые компьютеры для оперирования информацией используют кубиты. Они, в отличие от битов, могут одновременно принимать значение 0 и 1. Это позволяет выполнять одновременно множество операций — значительно больше, чем на самом мощном неквантовом компьютере.
При этом сновная проблема квантовых операций заключается в том, что обычно их приходится проводить в очень холодных и изолированных средах. Субатомные частицы хрупки, недолговечны, их использование может приводить к ошибкам в вычислениях даже при небольшом возмущении со стороны окружающей среды.
Для чего используют квантовые компьютеры?
Большинство существующих машин выполняют специфические задачи. Нередко их используют для моделирования на молекулярном уровне.
Китайский квантовый компьютер, к примеру, выполняет так называемую «задачу выборки бозонов». Заключается она в следующем. Компьютеру нужно смоделировать, как свет будет вести себя в заполненной кристаллами камере. Когда его частица попадает в кристалл, она движется влево или вправо и ударяется в другой кристалл, а затем в еще один. С увеличением количества таких частиц ситуация усложняется. Моделирование этого процесса могло бы напрячь ресурсы самого мощного компьютера, но гораздо проще выполняется на квантовом. Когда команда Пэна только начала работать над постановкой задачи для компьютера, машина оперировала 10 кубитами. По словам Пана, теперь речь идет о 50. Для сравнения: американский Sycamore «тянет» 53 кубита.
Китай лидирует в квантовых разработках?
Отвечая кратко — да. С 2012 года в стране работает коммуникационная квантовая сеть. А в 2016 Китай запустил первый в мире квантовый спутник. К 2030 году здесь рассчитывают построить общенациональную инфраструктуру квантовой связи.
Штаты уже назвали рост Китая в этой сфере угрозой для своих военных технологий. Несмотря на то, что США на достаточно серьезном уровне занимаются квантовыми разработками (особенно активно — IBM, Intel, Google), в Вашингтоне признают, что Пекин серьезно продвинулся в этом вопросе и является для страны главным конкурентом.
Китайское правительство на протяжении последних двадцати лет активно спонсирует разработки в сфере квантовых исследований. Это дает не только фору в сфере развития ИКТ, но и ощутимые финансовые результаты. В прошлом году технологические инновации обеспечили до 60% экономического роста Китая.
Специалистами Honeywell создан самый производительный квантовый компьютер
Американская корпорация Honeywell, производящая электронные системы управления и автоматизации, объявила о создании самого мощного в мире квантового компьютера.
В отличие от широко использовавшейся на начальном этапе разработки квантовых компьютеров меры — числа кубитов — в пресс-релизе Honeywell фигурирует «квантовый объем». Этот параметр характеризует не разрядность компьютера, вызывающую аналогии с обычными вычислительными системами, а производительность. Дело в том, что на работу квантового компьютера влияет множество факторов, которые отрицательно влияют на производительность. В частности, это частота ошибок вычисления и степень подключенности кубита, которая выражает связь между возможностями квантового оборудования и способностью системы распределять рабочие нагрузки. Иногда рабочие нагрузки могут быть распределены только между двумя соседними кубитами, тогда как в других случаях они могут без потери когерентности данных и влияния на частоту появления ошибок быть распределены между кубитам, расположенными в системе далеко друг от друга.
Так или иначе, «квантовый объем» нового компьютера равен 64, что вдвое превышает показатель прежней системы-рекордсменки, созданной в IBM.
D-Wave представляет самый мощный в мире квантовый компьютер
D-Wave Systems представила новую платформу квантовых вычислений для широкой доступности, разработанную специально для практического использования в коммерческом контексте.
D-Wave Advantage обеспечивает производительность более 5000 кубитов (версия двоичного бита для квантовых вычислений) и может обрабатывать до миллиона переменных одновременно. По заявлению компании, «никакой другой квантовый компьютер нигде в мире не может решать задачи [такого же] масштаба и сложности».
Также сообщается, что новый компьютер является наиболее подключенным из всех коммерческих систем. Для контекста, кубиты в предыдущей машине 2000Q компании могут подключаться до 6 других кубитов, в то время как улучшенная топология в Advantage означает, что кубиты могут подключаться максимум к 15.
В целом, совокупный эффект увеличения возможностей подключения и скачка в Количество кубитов означает, что новая платформа способна решать проблемы примерно в 2,6 раза быстрее, чем ее предшественница.
«Первый квантовый компьютер, созданный для бизнеса», как описывает его D-Wave, доступен сразу через квантовую облачную службу Leap, которая предоставляет предприятиям доступ к ресурсам на основе подписки.
Квантовые компьютеры D-Wave
В отличие от предыдущих квантовых компьютеров, Advantage разработан специально для коммерческого использования. Другими словами, это не просто технологический демонстратор.
«Мы спроектировали его для работы с большими и сложными коммерческими приложениями и для поддержки работы этих приложений в производственных средах», - сказал Алан Барац, генеральный директор D-Wave.
«Это действительно единственный компьютер, на котором можно запускать бизнес-приложения. Остальные квантовые компьютеры - это в первую очередь прототипы.Вы можете проводить эксперименты, проводить небольшие проверки концепции, но ни одно из них не может поддерживать масштабные приложения ».
Компания также считает, что спрос на квантовые вычисления среди предприятий никогда не был таким высоким - и будет продолжать расти.
Недавний опрос, проведенный фирмой, показал, что 39% крупных предприятий уже экспериментируют с этой технологией, а 81% заявили, что имеют в виду реальный вариант использования, который будет внедрен в течение следующих трех лет.
Приоритеты компаний, заинтересованных в квантовых вычислениях, согласно D-Wave, включают повышение эффективности, прибыльности и производительности, а также увеличение доходов и прибыльности.
Помня об этом возросшем аппетите, D-Wave также воспользовалась возможностью, чтобы представить Launch, который описывается как «программа быстрого старта» для организаций, готовых окунуться в квантовые воды.
Программа будет поддерживать предприятия в их работе по выявлению наилучших вариантов использования квантовых вычислений и помощи в применении этой технологии для решения их конкретных задач.
D-Wave, однако, не остановится на этом, потому что гонка за создание самого мощного квантового компьютера никогда не закончится; Honeywell, IBM и другие составляют достойную конкуренцию.
«Мы также продолжаем инвестировать в науку о создании квантовых систем. Компания Advantage была полностью переработана с нуля », - пообещал Барац.
«Мы воспользуемся тем, что узнали о возможности подключения и масштабировании, и продолжим расширять границы инноваций для следующего поколения наших квантовых компьютеров».
Через VentureBeat
.Вот как выглядит мир, основанный на квантовых компьютерах
За пределами научной фантастики
В 1935 году Альберт Эйнштейн сотрудничал с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном в работе, призванной осветить слабые места квантовой механики, области физики на очень маленьком. Хотя феномен «запутывания» был настолько новым, что термин еще даже не был придуман, Эйнштейн, не теряя времени, выразил свой скептицизм в отношении него, назвав «жуткое действие на расстоянии» просто невозможным.
Спустя почти столетие у нас есть множество доказательств того, что запутанность возможна. Фактически, сейчас мы находимся на пороге создания квантовых компьютеров, которые позволят нам использовать это явление для ответа на некоторые из величайших вопросов человечества.
Квантовые компьютеры обрабатывают и обрабатывают информацию совершенно иначе, чем классические компьютеры.
В то время как классический компьютер работает с битами в качестве заполнителей информации, квантовый компьютер работает с квантовыми битами (кубитами).В то время как биты несут информацию в состоянии 0 или 1, кубиты могут быть 0 и 1 одновременно благодаря квантовой суперпозиции.
Между тем, запутанность позволяет манипулировать частицами, несмотря на расстояние между ними - все, что происходит с одной частицей, мгновенно отражается на другой. Таким образом, информацию можно отправлять на большие расстояния гораздо быстрее, чем с помощью классических компьютеров.
Хотя область квантовых вычислений все еще находится на начальной стадии и чрезвычайно сложна, исследователи в последние годы добились значительных успехов в разработке рабочих квантовых компьютеров.Они нашли способы поддерживать жизнь кубитов, чтобы увеличить время, в течение которого информация может содержаться в квантовой системе, и, по мнению экспертов, рабочие квантовые компьютеры, скорее всего, будут доступны в ближайшие пару десятилетий.
«Никто больше не говорит« никогда », - сказал The Wall Street Journal генеральный директор канадской фирмы Isara Corp. Скотт Тоцке. «Мы находимся в очень, очень ранних днях, но мы уже давно прошли точку зрения научной фантастики».
Итак, чего нам ожидать от будущего квантовых вычислений?
Жизнь с квантовыми компьютерами
Квантовые компьютеры будут способны выполнять гораздо более сложные вычисления, чем классические компьютеры, и, по словам Уильяма Херли, председателя рабочей группы по стандартам квантовых вычислений в Институте инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), последствия этого будет потрясающе.
Херли подробно рассказал об этом в электронном письме Futurism:
Я лично считаю, что квантовые вычисления помогут нам разобраться в огромном потоке данных, который мы создаем для решения некоторых очень интересных проблем. Существуют системы, генерирующие миллиарды наборов данных в день, и они могут быть решением некоторых критических проблем, влияющих на общество, но мы не можем начать [работать] через [все данные]. Для меня это очень интересно.
Короче говоря, будущее квантовых вычислений позволит нам решать некоторые из самых сложных вопросов, с которыми сегодня сталкивается мир, а не только в таких областях, как физика или наука.
«Я думаю, что у квантовых вычислений есть огромная возможность изменить ряд отраслей, - сказал Херли. «Однако я считаю, что в финансовой, фармацевтической и охранной отраслях произойдут самые большие изменения в кратчайшие сроки».
В то время как некоторые эксперты предупреждали, что эта сила может быть использована в гнусных целях, Херли считает, что хорошее перевешивает плохое:
Всегда будут причины для того, чтобы умерить наш оптимизм в отношении любого нового технологического прогресса.Тем не менее, я невероятно взволнован потенциальными положительными результатами квантовых вычислений. От поиска новых лекарств до болезней и помощи в открытии новых частиц - я думаю, что это самое волнующее, что я испытывал за всю мою карьеру. Мы должны сосредоточить нашу энергию на положительных результатах не меньше, чем на отрицательных.
Новый вид Интернета
Так называемые квантовые коммуникации - одно из наиболее интересных приложений, запланированных для квантовых вычислений будущего.
Исследователи в Китае и других странах мира начали изучать возможности построения квантовых сетей, используя те же принципы, что и квантовые вычисления. Создание этих сетей в конечном итоге откроет дверь для квантового Интернета, более безопасной системы связи, в которой информация хранится и передается с помощью передовой криптографии. Однако такую сеть нельзя будет по-настоящему реализовать, пока квантовые компьютеры не станут масштабируемыми, что, по мнению читателей футуризма, произойдет до 2050 года.
Щелкните для просмотра полной инфографики Хотя исследователям удалось создать квантовые компьютеры, все они громоздки и работают только в специализированных средах. Таким образом, будущее квантовых вычислений может включать в себя принятие альтернатив системам, которые в настоящее время создаются в передовых лабораториях.
Путь вперед может лежать в создании специализированных компьютерных микросхем, способных функционировать как квантовые компьютеры, но без современных компонентов, необходимых для этих систем.Революция квантовых вычислений может также начаться с того, что средний человек получит доступ к квантовому компьютеру через облачный сервис, такой как те, что создали IBM и Google.
«Я думаю, в ближайшие 24 месяца вы увидите общедоступные симуляторы и эмуляторы, которые будут полезны», - сказал Херли. Тем не менее, эти системы были бы просто заполнителем для реальной сделки, которая, как он видит, прибудет в не столь отдаленном будущем: «Я бы хотел, чтобы универсальный квантовый компьютер был доступен уже через три-пять лет, и я считаю, что это могло быть возможно.»
.НОВОСТЕЙ BBC | Технологии | Квантовые вычисления
Кремниевая электроника является основным продуктом вычислительной индустрии, но сейчас исследователи изучают другие методы создания мощных компьютеров.
 Квантовые компьютеры способны решать сложные задачи |
Квантовый компьютер - это теоретическое устройство, которое будет использовать свойства квантовой механики, области физики, которая имеет дело с энергией и материей на атомных масштабах.
В квантовом компьютере данные обрабатываются не электронами, проходящими через транзисторы, как в современных компьютерах, а атомами в клетках, известными как квантовые биты или кубиты.
«Это новая парадигма вычислений», - сказал профессор Артур Экерт из Оксфордского университета. «Он выполняет вычисления по-другому».
Бит - это простая единица информации, которая в обычном электронном компьютере представлена цифрой «1» или «0».
Кубит также может представлять «1» или «0», но, что важно, может быть обоими одновременно - это называется суперпозицией.
Это позволяет квантовому компьютеру одновременно решать множество проблем и находить их решения.
«Это похоже на массовую параллельную обработку, но на одном устройстве», - сказал профессор Экерт.
«Комплексные системы»
Это дает значительные преимущества, особенно для решения проблем с большим объемом данных или переменных.
«С помощью квантовых вычислений вы можете решать некоторые проблемы с временными масштабами в секунды, что может занять почти бесконечное количество времени с классическими компьютерами», - сказал недавно веб-сайту BBC News профессор Дэвид Авшалом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
В феврале 2007 года канадская компания D-Wave systems заявила, что продемонстрировала работающий квантовый компьютер.
В то время главный исполнительный директор компании Херб Мартин сказал, что выставка представляет собой «существенный шаг вперед в решении коммерческих и научных проблем, которые до сих пор считались неразрешимыми."
Но многие в мире квантовых вычислений остаются скептически настроенными, прежде всего потому, что компания опубликовала очень мало информации о машине.
Дисплей тоже не впечатлил.
«Это было не совсем то, что мы понимаем под квантовыми вычислениями, - сказал профессор Экерт. «Показанные ими демонстрации можно было решить с помощью обычных компьютеров».
Однако профессор Экерт считает, что квантовые вычисления рано или поздно достигнут совершеннолетия.
Затем, по его словам, они не будут использоваться в обычных настольных приложениях, а будут использоваться специалистами, такими как поиск в обширных базах данных, создание не поддающихся взлому шифров или имитация атомных структур веществ.
«По-настоящему убийственное применение, вероятно, будет заключаться в разработке новых материалов или сложных систем», - сказал он.
.Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления готовы перевернуть целые отрасли от телекоммуникаций и кибербезопасности до передового производства, финансов, медицины и т. Д. - но немногие понимают, как на самом деле работают квантовые компьютеры.
В ближайшем будущем квантовые вычисления могут изменить мир.
Возьмем, к примеру, изменение климата: из-за сложности климатической системы, кажущегося бесконечного количества данных и растущих ограничений сегодняшних вычислительных мощностей ни один классический компьютер (например, ваш настольный компьютер) не может имитировать изменения климата Земли со 100% точностью.
Квантовые компьютеры, с другой стороны, представляют собой суперкомпьютеры, оснащенные передовыми вычислительными мощностями. Принимая во внимание множество климатических переменных, они могут создавать модели на основе данных, чтобы помочь прогнозировать погодные условия и подготовиться к стихийным бедствиям.
Помимо моделирования климата, эти передовые вычислительные системы могут выполнять сверхбыстрые вычисления с самыми большими и сложными наборами данных - и эта технология, безусловно, привлекает внимание средств массовой информации.
а как именно работает?
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые компьютеры могут обрабатывать массивные и сложные наборы данных более эффективно, чем классические компьютеры.
Они используют основы квантовой механики, чтобы ускорить процесс решения сложных вычислений. Часто эти вычисления включают в себя, казалось бы, неограниченное количество переменных, а потенциальные приложения охватывают отрасли от геномики до финансов.
Машина IBM «Q»Квантовые компьютеры уже заново изобретают аспекты кибербезопасности благодаря своей способности взламывать коды и шифровать электронные сообщения. Некоторые из крупнейших игроков в сфере технологий, включая Google, Microsoft, Intel, IBM и Alibaba, изучают квантовые вычисления для повышения кибербезопасности и многого другого, что является признаком того, что следующая большая вычислительная гонка уже началась.
Хотя Google изучает квантовые вычисления для сверхбыстрого поиска в Интернете по крайней мере с 2009 года, еще неизвестно, кто станет лидером в зарождающейся индустрии коммерческих квантовых вычислений.
В этом пояснении мы подробнее рассмотрим, что такое квантовые вычисления, преимущества, связанные с этой технологией, ее приложениями, и игроки отрасли, на которые стоит обратить внимание.
СОДЕРЖАНИЕ:
Меняющийся компьютерный ландшафт
Прежде чем мы сможем понять квантовые вычисления и их приложения, мы должны взглянуть на то, как их предшественник - классические вычисления (вычисления на основе транзисторов) - достиг своих пределов.
Обратите внимание: классические биты (хранящиеся на транзисторах) являются основными единицами обработки информации в классическом компьютере.
Это в основном электронные переключатели включения / выключения, встроенные в микрочипы, которые поочередно меняют значение 0 или 1 для обработки информации. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее микросхема может обрабатывать электрические сигналы и тем лучше становится компьютер.
ВЫЧИСЛЕНИЯ ЗА ЗАКОНОМ МУРА
В 1965 году соучредитель Intel Гордон Мур заметил, что количество транзисторов на квадратный дюйм в микрочипе ежегодно удваивается, а затраты сокращаются вдвое (с момента их изобретения в 1958 году).Это наблюдение известно как закон Мура.
Закон Мура важен, потому что он означает, что компьютеры и вычислительная мощность со временем становятся меньше и быстрее.
Однако закон Мура замедляется (некоторые говорят, что он останавливается), и, следовательно, классические компьютеры не улучшаются с той же скоростью, что и раньше.
Неудивительно, что Intel полагалась на закон Мура для стимулирования инноваций в области микросхем в течение последних 50 с лишним лет. Теперь Intel вместе с другими гигантами компьютерного производства предположила, что транзисторные вычисления приближаются к стене.
Когда-нибудь в 2020-х годах - если мы хотим и дальше пожинать плоды экспоненциального роста вычислительной мощности - нам придется найти принципиально другой способ обработки информации.
Войдите в квантовые вычисления.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Квантовые компьютеры могут предложить огромное преимущество в эффективности для решения определенных типов вычислений, которые ставят в тупик современные компьютеры - и будут продолжать ставить их в тупик, даже если закон Мура будет действовать бесконечно.
Для начала подумайте о телефонной книге, а затем представьте, что у вас есть определенный номер, который нужно найти в этой телефонной книге. Классический компьютер будет искать каждую строку в телефонной книге, пока не найдет и не вернет совпадение. Теоретически квантовый компьютер может мгновенно выполнить поиск по всей телефонной книге, одновременно оценивая каждую строку и возвращая результат намного быстрее, чем классический компьютер.
Эти проблемы, требующие наилучшего сочетания переменных и решений, часто называют проблемами оптимизации.Это одни из самых сложных проблем в мире, потенциально способные изменить правила игры.
Представьте, что вы строите самый высокий небоскреб в мире, и у вас есть бюджет на строительное оборудование, сырье и рабочую силу, а также на соответствие требованиям. Проблема, которую вам необходимо решить, заключается в том, как определить оптимальное сочетание оборудования, материалов, рабочей силы и т. Д., Чтобы максимизировать ваши вложения. Квантовые вычисления могут помочь учесть все эти переменные, чтобы помочь нам наиболее эффективно планировать масштабные проекты.
Проблемы оптимизации возникают во многих отраслях, включая разработку программного обеспечения, логистику, финансы, поиск в Интернете, геномику и другие. Хотя самые сложные задачи оптимизации в этих отраслях ставят в тупик классические компьютеры, они хорошо подходят для решения на квантовой машине.
Квантовые компьютеры отличаются от классических компьютеров тем, что улучшение последних в основном связано с улучшением материалов, из которых состоят транзисторы и микрочипы.
В квантовых компьютерах не используются транзисторы (или классические биты).Вместо этого они используют кубиты.
Кубиты - это основные блоки для обработки информации в квантовом компьютере.
Кубиты могут иметь любое значение от 0 до 1 или иметь свойства обоих этих значений одновременно. Сразу появляется намного больше возможностей для выполнения вычислений.
Кроме того, квантовые компьютеры полагаются на естественные квантово-механические явления или два важных состояния материи, известных как суперпозиция и запутанность.Эти состояния материи, когда они используются для вычислительных целей, могут ускорить нашу способность выполнять огромные вычисления.
Самые современные чипы квантовых вычислений, доступные сегодня, разрабатываемые стартапом Rigetti Computing из Беркли, могут использовать до 19 кубитов, хотя компания находится в процессе создания чипа на 128 кубитов к концу 2019 года.
Тем не менее, гонка за создание самого мощного квантового компьютера с наибольшим количеством кубитов продолжается, по крайней мере, с конца 1990-х годов.
В 1998 году исследователи Оксфордского университета в Великобритании объявили, что они сделали прорыв в области вычислений информации с использованием двух кубитов. Перенесемся в 2017 год, и IBM доказала способность вычислять на 50 кубитах. Квантовые вычислительные мощности увеличились в 25 раз за 20 лет - казалось бы, медленный старт по сравнению с сегодняшними темпами развития.
В 2018 году Google продемонстрировал обработку информации на 72 кубита. В августе Rigetti Computing объявила о планах создания квантового чипа на 128 кубитов.
Стив Джурветсон, управляющий директор инвестиционной компании Draper Fisher Jurvetson и инвестор компании, занимающейся квантовыми вычислениями D-Wave Systems (один из первых лидеров, специализирующихся на гибридно-квантовых и классических машинах), назвал феномен увеличения мощности квантовых компьютеров следующим образом: «Закон Розы».
Закон Роуза для квантовых вычислений параллелен идее, лежащей в основе закона Мура для разработки полупроводниковых процессоров. Короче говоря, квантовые компьютеры уже становятся очень быстрыми, очень быстро.
Типы квантовых вычислений
Существует три основных типа квантовых вычислений. Каждый тип отличается необходимой вычислительной мощностью (кубитами) и количеством возможных приложений, а также временем, необходимым для того, чтобы стать коммерчески жизнеспособным.
КВАНТОВЫЙ ОТЖИГ
Квантовый отжиг лучше всего подходит для решения задач оптимизации.
Другими словами, исследователи пытаются найти лучшую (наиболее эффективную) возможную конфигурацию среди множества возможных комбинаций переменных.
Например, Volkswagen (VW) недавно провел квантовый эксперимент по оптимизации транспортных потоков в переполненном городе Пекине, Китай. Эксперимент проводился в сотрудничестве с Google и D-Wave Systems.
По словам VW, алгоритм может успешно сократить трафик, выбрав идеальный путь для каждого автомобиля.
Представьте себе применение этого эксперимента в глобальном масштабе - оптимизацию каждого маршрута авиакомпании, расписания аэропортов, данных о погоде, стоимости топлива, информации о пассажирах и т. Д.для всех, чтобы получить самые экономичные решения для путешествий и логистики.
Классическим компьютерам потребовались бы тысячи лет, чтобы найти оптимальное решение такой проблемы. Квантовые компьютеры, теоретически, могут сделать это за несколько часов или меньше, поскольку количество кубитов на квантовый компьютер увеличивается.
Моделирование воздушного потока крыла самолетаОтжиг применяется для решения множества промышленных задач. Например, Airbus - глобальная аэрокосмическая и оборонная корпорация, известная разработкой военных и коммерческих самолетов, - в 2015 году создала блок квантовых вычислений на своем заводе в Ньюпорте, Великобритания.
Компания изучает квантовый отжиг для цифрового моделирования и материаловедения.
В то время как в настоящее время инженерам требуются годы, чтобы смоделировать процесс обтекания крыла самолета, квантовому компьютеру может потребоваться всего несколько часов, чтобы смоделировать каждый атом воздуха, обтекающий крыло, под всеми углами и скоростями, чтобы определить оптимальную или максимальную скорость. эффективная конструкция крыла.
Квантовый отжиг - наименее эффективная и наиболее узко прикладная форма квантовых вычислений.
Фактически, эксперты согласны с тем, что современные суперкомпьютеры могут решать некоторые задачи оптимизации наравне с современными машинами для квантового отжига.
КВАНТОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Квантовое моделирование исследует конкретные проблемы квантовой физики, выходящие за рамки возможностей классических систем. Моделирование сложных квантовых явлений может стать одним из важнейших приложений квантовых вычислений.
Одна из областей, которая является особенно многообещающей, включает моделирование эффекта химической стимуляции на большое количество субатомных частиц - также известную как квантовая химия.
Развернутая и свернутая структура белкаВ частности, квантовые симуляторы можно использовать для моделирования сворачивания белка - одной из самых сложных проблем биохимии.
Неправильно свернутые белки могут вызывать такие заболевания, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, и исследователи, тестирующие новые методы лечения, должны узнать, какие лекарства вызывают реакцию на каждый белок, с помощью случайного компьютерного моделирования.
Говорят, что если бы белок достиг своей правильно свернутой конфигурации путем последовательной выборки всех возможных эффектов, вызванных лекарствами, ему потребовалось бы время, превышающее возраст Вселенной, чтобы достичь своего правильного естественного состояния.
Реалистичное отображение последовательности сворачивания белка стало бы крупным научным и медицинским прорывом, который мог бы спасти жизни.
Квантовые компьютеры могут помочь вычислить огромное количество возможных последовательностей сворачивания белков для создания более эффективных лекарств. В будущем квантовое моделирование позволит проводить быстрое тестирование дизайнерских лекарств с учетом всех возможных комбинаций белка и лекарства.
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Универсальные квантовые компьютеры - самые мощные и универсальные, но их сложнее всего построить.По-настоящему универсальный квантовый компьютер, вероятно, будет использовать более 100000 кубитов - по некоторым оценкам, это 1 миллион кубитов. Помните, что сегодня большинство кубитов, к которым мы можем получить доступ, даже не 128.
Основная идея универсального квантового компьютера заключается в том, что вы можете направить машину на любое чрезвычайно сложное вычисление и получить быстрое решение. Это включает в себя решение вышеупомянутых уравнений отжига, моделирование квантовых явлений и многое другое.
Квантовый чип Ригетти на 128 кубитов Исследователи годами разрабатывали алгоритмы, которые возможны только на универсальном квантовом компьютере.Наиболее известные алгоритмы - это алгоритм Шора для разложения чисел (для использования в расширенном взломе кода) и алгоритм Гровера для быстрого поиска неструктурированных и массивных наборов данных (для использования в расширенном поиске в Интернете и т. Д.).
По крайней мере, 50 других уникальных алгоритмов были разработаны для работы на универсальном квантовом компьютере.
В далеком будущем универсальные квантовые компьютеры могут произвести революцию в области искусственного интеллекта.
Quantum AI может сделать машинное обучение более быстрым, чем у классических компьютеров.
Недавняя работа позволила создать алгоритмы, которые могут выступать в качестве строительных блоков квантового машинного обучения, но аппаратное и программное обеспечение для полной реализации квантового искусственного интеллекта все еще так же неуловимо для нас, как и сам квантовый компьютер.
Ландшафт отрасли квантовых вычислений
В отрасли существует лишь небольшое количество частных компаний, которые смогли собрать не менее 50 миллионов долларов (и меньше - более 100 миллионов долларов), что говорит о том, что коммерческое применение квантовых компьютеров - как для аппаратного, так и для программного обеспечения - только зарождается. этот момент, несмотря на шумиху.
D-Wave - самая хорошо финансируемая частная компания, занимающаяся квантовыми вычислениями: на сегодняшний день собрано 210 миллионов долларов, за ней следуют Rigetti Computing (119 миллионов долларов), Silicon Quantum Computing (66 миллионов долларов) и Cambridge Quantum Computing (CQC) (50 миллионов долларов).
Примечательно, что сделки с этими четырьмя компаниями составили ~ 70% от общего объема финансирования отрасли с 2013 года. Кроме того, сделки с частными компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями, в целом достигли рекордно высокого уровня в 2018 году.
За последние 6 лет общий объем сделок вырос более чем на 200% - с 7 в 2013 году до 24 в 2018 году.Среди крупнейших сделок 2018 года Rigetti Computing в августе привлекла $ 50 млн Series C.
В 2017 году общий объем финансирования стартапов в области квантовых вычислений достиг рекордно высокого уровня и составил более 200 миллионов долларов, вложенных всего в 14 сделок. Примечательно, что в 2017 году пять стартапов собрали раунды на сумму более 20 миллионов долларов, в том числе: Silicon Quantum Computing, Rigetti, 1QBit, IonQ и D-Wave.
КТО ИНВЕСТИРУЕТ В КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ?
Вместе с растущим интересом к этой сфере растет и общая экосистема, поддерживающая развитие этих компаний.Основные венчурные капиталисты вместе с корпорациями уже делают ставки на частные компании, занимающиеся квантовыми вычислениями.
Google Ventures (GV) и Amazon, среди прочих, поддержали IonQ, который занимается разработкой квантовых компьютеров общего назначения для решения широкого круга приложений. Известные венчурные капиталисты в отрасли включают Sequoia Capital, которая инвестировала в компанию Quantum Circuits, Inc. (QCI), производящую оборудование для квантовых вычислений. Андреессен Горовиц (a16z) инвестировал в Rigetti Computing, а Draper Fisher Jurvetson (DFJ) участвовал во множестве инвестиций в системы D-Wave.
Защита связи с помощью квантовых вычислений получила импульс в феврале 2018 года, когда в игру вступил южнокорейский оператор мобильной связи SK Telecom, а несколько месяцев спустя за ним последовала немецкая Deutsche Telekom. Телекоммуникационные компании купили контрольный пакет на 65 миллионов долларов и миноритарный пакет акций ID Quantique, поставщика многопротокольного сетевого шифрования для защиты связи на основе квантовых технологий.
Некоторые из крупнейших мировых корпораций также реализуют собственные проекты квантовых вычислений.
Google управляет квантовым компьютером D-Wave Systems в Лаборатории квантового искусственного интеллекта (QuAIL). Лаборатория находится в ведении НАСА и Ассоциации космических исследований университетов в Исследовательском центре НАСА Эймса в Маунтин-Вью, Калифорния.
В июле 2015 года облачное подразделение Alibaba Aliyun и Китайская академия наук создали исследовательский центр в Шанхае под названием Alibaba Quantum Computing Laboratory. Лаборатория изучает технологии квантовой безопасности для электронной коммерции и центров обработки данных.
В январе 2019 года IBM представила свой первый коммерческий квантовый компьютер на выставке Consumer Electronics Show (CES). IBM Q System One использует 20 кубитов и имеет как классические, так и квантовые компоненты. Объявление компании ясно дает понять, что потребуется время, прежде чем коммерческие квантовые компьютеры смогут превзойти современные классические машины:
«Системы IBM Q предназначены для решения задач в один день и , которые в настоящее время считаются слишком сложными и экспоненциальными по своей природе для классических систем.”
Множество других технологических компаний, включая Hewlett Packard, Intel и Microsoft, также занимаются квантовыми вычислениями.
Несколько оборонных подрядчиков и консалтинговых фирм также сыграли в квантовых вычислениях, в том числе Booz Allen Hamilton, Lockheed Martin и Raytheon.
Наряду с инвестициями компаний правительства ЕС, США, Австралии и Китая также поддерживают проекты, направленные на создание квантовых компьютеров.
В США НАСА, АНБ и Лос-Аламосская национальная лаборатория участвуют в проектах квантовых вычислений.
Правительство Китая запустило первый в мире квантовый спутник в поисках более безопасной связи в 2016 году.
Квантовые вычисления в различных отраслях
По мере снижения стоимости ресурсов квантовых вычислений появится больше игроков в отрасли.
По мере того, как все больше игроков погружаются в отрасль, квантовые вычисления будут видеть все больше приложений в разных отраслях, особенно потому, что классические компьютеры в некоторых случаях оказываются неэффективными.
Мы уже начинаем видеть последствия этого для различных секторов.
«Мы находимся на заре века квантовых вычислений. Мы считаем, что мы находимся на пороге предоставления возможностей, которых нельзя получить с помощью классических вычислений. Практически в каждой дисциплине вы увидите, что эти типы компьютеров оказывают такое влияние ». - Верн Браунелл, генеральный директор, D-Wave Systems
От здравоохранения до сельского хозяйства - вот несколько секторов, которые выиграют от потенциала квантовых вычислений.
ЗДРАВООХРАНЕНИЕ
Двойная спираль ДНК Квантовые компьютеры могут помочь ускорить процесс сравнения взаимодействий и эффектов различных лекарств на ряд заболеваний, чтобы определить лучшие лекарства.
Кроме того, квантовые вычисления могут также привести к действительно персонализированной медицине - с использованием достижений в геномике для создания индивидуальных планов лечения, специфичных для каждого пациента.
Секвенирование генома создает множество данных, так что представление всей цепи ДНК человека требует огромных вычислительных мощностей и емкости памяти. Компании стремительно снижают стоимость и ресурсы, необходимые для секвенирования генома человека; однако квантовый компьютер теоретически сделает способ секвенирования геномов более эффективным и более легким для глобального масштабирования.
Квантовый компьютер может собирать и сортировать все возможные варианты генов одновременно и мгновенно находить все пары нуклеотидов, делая весь процесс секвенирования генома экспоненциально короче.
Быстрое квантовое секвенирование генома может позволить нам объединить ДНК мира в обширную базу данных о здоровье населения. Используя квантовые компьютеры, мы также сможем синтезировать закономерности в мировых данных ДНК для понимания нашей генетической структуры на более глубоком уровне, а также потенциально раскрыть ранее неизвестные паттерны болезней.
ФИНАНСОВЫЕ УСЛУГИ
Моделирование Монте-Карло в финансах Финансовые аналитики обычно полагаются на алгоритмы, которые состоят из вероятностей и предположений о том, как будут работать рынки и портфели. Квантовые вычисления могут помочь устранить слепые пятна данных и предотвратить убытки из-за необоснованных финансовых предположений.
В частности, области квантовых вычислений, которые наиболее перспективны для финансовых услуг, заключаются в решении сложных задач оптимизации, таких как оптимизация рисков портфеля и обнаружение мошенничества.
Квантовые вычисления можно использовать для более точного определения привлекательных портфелей с учетом тысяч активов с взаимосвязанными зависимостями и более эффективного выявления основных схем мошенничества.
Еще одна область финансовых квантовых компьютеров, которая может измениться, связана с запуском того, что широко известно в отрасли как моделирование методом Монте-Карло - моделирование вероятностей, используемое для понимания влияния риска и неопределенности в моделях финансового прогнозирования.
В то время как классические компьютеры могут выполнять поиск только в одном файле за раз или запускать одно моделирование портфеля методом Монте-Карло, квантовый компьютер может выполнять эти операции параллельно и более эффективно оптимизировать транзакции.
КИБЕРБЕЗОПАСНОСТЬ
Китайский квантовый спутник MiciusКвантовые компьютеры можно использовать для взлома криптографических кодов, которые мы используем сегодня для защиты конфиденциальных данных и электронных коммуникаций.
Однако квантовые компьютеры также можно использовать для защиты данных от квантового взлома - метод, известный как квантовое шифрование.
Квантовое шифрование - это идея отправки запутанных частиц света (запутанных фотонов) на большие расстояния в так называемом квантовом распределении ключей (QKD) с целью защиты конфиденциальной связи.
Самым важным моментом является то, что если квантово-шифрованные сообщения будут перехвачены кем-либо, схема шифрования сразу покажет признаки нарушения и покажет, что корреспонденция небезопасна. Это основано на принципе, согласно которому процесс измерения квантовой системы разрушает систему. Это известно как «эффект измерения».
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Аммиак = азот и водород Квантовые компьютеры могут помочь нам более эффективно производить удобрения.
Почти все удобрения, которые помогают нам накормить, сделаны из аммиака. Возможность производить аммиак (или его заменитель) более эффективно означает более дешевые и менее энергоемкие удобрения. Более легкий доступ к более качественным удобрениям принесет пользу окружающей среде и поможет накормить растущее население планеты.
Так мало прогресса было достигнуто в улучшении процесса создания или замены аммиака, потому что количество возможных комбинаций катализаторов для этого бесконечно.
По сути, мы не можем искусственно моделировать процесс без промышленной техники 1900-х годов, известной как процесс Габера-Боша.Процесс включает чрезвычайно высокую температуру и давление для преобразования азота, водорода и железа в аммиак.
Использование современных суперкомпьютеров для цифрового тестирования правильных каталитических комбинаций для получения аммиака заняло бы столетия.
Квантовый компьютер сможет быстро анализировать химические каталитические процессы и предложить оптимальную комбинацию катализаторов для создания аммиака.
Более того, мы знаем, что крошечные бактерии в корнях растений ежедневно выполняют этот же процесс при очень низких затратах энергии, используя особую молекулу, называемую нитрогеназой.Эта молекула находится за пределами возможностей наших крупнейших суперкомпьютеров для моделирования, но будет доступна квантовому компьютеру.
Обратите внимание: производство энергоэффективных удобрений - это лишь один из многих способов решения больших проблем, связанных с возможностью точного моделирования поведения молекул. Аналогичные проблемы существуют в области изменения климата, здравоохранения, материаловедения, энергетики и других сфер.
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Квантовые облачные вычисления становятся многообещающей областью в отрасли.Квантовые облачные платформы могут упростить программирование и обеспечить недорогой доступ к квантовым машинам.
Компания QC Ware - стартап на ранней стадии развития облачной платформы для квантовых вычислений. Среди сторонников QC Ware, среди прочих, Airbus Ventures и Goldman Sachs.
Крупные корпорации, включая IBM, Google и Alibaba, также реализуют проекты квантовых облачных вычислений.
ДРУГОЕ
Помните, квантовые компьютеры хороши в поиске оптимальных решений проблем с бесконечным числом переменных, защитой конфиденциальных данных и коммуникаций, а также точным моделированием квантовых явлений и поведения молекул.Решение этих проблем лежит в основе почти каждого коммерческого применения квантовых вычислений.
Примечательно, что квантовые компьютеры также могут быть ключом к защите нашего цифрового будущего с помощью безопасных операций по разработке программного обеспечения.
Мы все больше полагаемся на программное обеспечение, чтобы управлять автомобилями, летать на самолетах, оказывать медицинскую помощь, принимать финансовые решения и многое другое. Квантовые компьютеры могут быстро оценить все возможные сценарии и условия кодовой базы, чтобы найти недостатки до того, как возникнет проблема.Выявление недостатков в коде, стоящих за этими критически важными действиями, вскоре может означать разницу между жизнью и смертью для многих людей.
С помощью квантового компьютера легче решить любую задачу в области материаловедения. Квантовые компьютеры могут применяться для создания практически любого материала для любых целей. Диапазон возможностей охватывает транспорт, строительство, датчики, оборону, медицинское оборудование и многое другое. Материалы в этих отраслях, в конечном счете, состоят из молекул и атомов, свойства и взаимодействия которых в основе своей являются квантово-механическими.
ВЗГЛЯД С ПОМОЩЬЮ КВАНТОВОГО ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
В далеком будущем квантовые компьютеры могут быть использованы для развития искусственного интеллекта.
Квантовое машинное обучение может создать искусственный интеллект, который более эффективно выполняет сложные задачи по-человечески. Например, позволяя роботам-гуманоидам принимать оптимальные решения в режиме реального времени и в непредсказуемых обстоятельствах.
Обучение ИИ на квантовых компьютерах может улучшить компьютерное зрение, распознавание образов, распознавание голоса, машинный перевод и многое другое.
Квантовый ИИ - все еще молодая и непроверенная часть отрасли. Однако несколько стартапов начали продвигать исследования и разработки в этой области, в том числе: Zapata Computing, Xanadu и Qindom.
Насколько мы близки к квантовому превосходству?
Квантовое превосходство - это способность квантовых компьютеров решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут. Помните, что идеальный квантовый компьютер универсально применим и превосходит классические машины.
Компании и правительства заявили, что используют квантовый компьютер, который достигает квантового превосходства. Например, в марте 2018 года Google заявила, что его 72-кубитный чип решает тщательно подобранную задачу быстрее, чем классические машины. Вскоре после объявления исследователи Alibaba объявили, что они решили ту же проблему, используя классические системы. Обмен подчеркивает правдивость, с которой самые могущественные компании мира борются за то, чтобы возглавить квантовое превосходство.
Сегодня самые мощные квантовые компьютеры, производимые такими компаниями, как D-Wave Systems, Alibaba, IBM и Rigetti Quantum Computing, среди прочих, представляют собой гибридное классическое квантовое предложение. То есть они предлагают сочетание мощных классических систем, усиленных впечатляющими квантовыми возможностями.
Однако отрасль быстро развивается. Эксперты сходятся во мнении, что к 2030 году квантовые компьютеры могут превзойти классические аналоги.
Чтобы квантовые вычисления раскрыли свой потенциал, необходимо преодолеть серьезные технические препятствия.Это потребует разработки более стабильного оборудования, коммерческих платформ для разработки программного обеспечения и развития возможностей облачных вычислений для распределения ресурсов квантовых вычислений и доступа к ним.
Этот отчет был создан на основе данных платформы CB Insights для анализа новых технологий, которая предлагает ясность в отношении появляющихся технологий и новых бизнес-стратегий с помощью таких инструментов, как: Если вы еще не являетесь клиентом, подпишитесь на бесплатную пробную версию, чтобы узнать больше о нашей платформе. .
История и история квантовых вычислений - Microsoft Quantum
- 4 минуты на чтение
В этой статье
Множество новых компьютерных технологий появилось в течение последних нескольких лет, и квантовые вычисления, возможно, являются технологией, требующей наибольшего изменения парадигмы со стороны разработчиков. Квантовые компьютеры были предложены в 1980-х Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным.Интуиция, лежащая в основе квантовых вычислений, возникла из того, что часто рассматривалось как одно из величайших затруднений в физике: замечательный научный прогресс столкнулся с неспособностью моделировать даже простые системы. Видите ли, квантовая механика была разработана между 1900 и 1925 годами, и она остается краеугольным камнем, на котором в конечном итоге покоятся химия, физика конденсированного состояния и технологии, начиная от компьютерных микросхем и заканчивая светодиодным освещением. Однако, несмотря на эти успехи, казалось, что даже некоторые из простейших систем выходят за рамки человеческих возможностей моделирования с помощью квантовой механики.Это потому, что моделирование систем даже из нескольких десятков взаимодействующих частиц требует большей вычислительной мощности, чем любой обычный компьютер может обеспечить за тысячи лет!
Есть много способов понять, почему квантовую механику трудно моделировать. Возможно, проще всего увидеть, что квантовую теорию можно интерпретировать как утверждение, что материя на квантовом уровне находится во множестве возможных конфигураций (известных как состояний ). В отличие от классической теории вероятностей, эти многочисленные конфигурации квантового состояния, которые потенциально можно наблюдать, могут мешать друг другу, как волны в приливном бассейне.{41} $, что, в свою очередь, потребует более 260 $ ГБ памяти для хранения квантового состояния. В эту игру увеличения количества позиций нельзя играть бесконечно, если мы хотим сохранить состояние условно, поскольку мы быстро превышаем объем памяти самых мощных машин в мире. В несколько сотен электронов память, необходимая для хранения системы, превышает количество частиц во Вселенной; таким образом, у наших обычных компьютеров нет никакой надежды когда-либо смоделировать их квантовую динамику.И все же в природе такие системы легко эволюционируют во времени в соответствии с законами квантовой механики, блаженно не подозревая о неспособности спроектировать и смоделировать их эволюцию с помощью обычных вычислительных мощностей.
Это наблюдение побудило тех, кто на раннем этапе видения квантовых вычислений задать простой, но важный вопрос: можем ли мы превратить эту трудность в возможность? В частности, если квантовую динамику сложно смоделировать, что бы произошло, если бы мы построили оборудование, в котором квантовые эффекты были бы фундаментальными операциями? Можем ли мы смоделировать системы взаимодействующих частиц, используя систему, которая использует точно такие же законы, которые управляют ими естественным образом? Можем ли мы исследовать задачи, которые полностью отсутствуют в природе, но следуют законам квантовой механики или извлекают из них пользу? Эти вопросы привели к возникновению квантовых вычислений.
Фундаментальное ядро квантовых вычислений состоит в хранении информации в квантовых состояниях материи и использовании операций квантовых вентилей для вычислений на основе этой информации путем использования и обучения «программированию» квантовой интерференции. Ранний пример программирования вмешательства для решения проблемы, которая, как казалось, является сложной для наших обычных компьютеров, был сделан Питером Шором в 1994 году для проблемы, известной как факторинг. Решение факторинга дает возможность взломать многие из наших криптосистем с открытым ключом, лежащих в основе безопасности электронной коммерции сегодня, включая RSA и криптографию с эллиптическими кривыми.С тех пор были разработаны быстрые и эффективные алгоритмы квантового компьютера для решения многих наших сложных классических задач: моделирования физических систем в химии, физике и материаловедении, поиска в неупорядоченной базе данных, решения систем линейных уравнений и машинного обучения.
Создание квантовой программы для устранения помех может показаться сложной задачей, и хотя это так, многие методы и инструменты, включая наш Microsoft Quantum Development Kit, были представлены, чтобы сделать квантовое программирование и разработку алгоритмов более доступными.Существует несколько базовых стратегий, которые можно использовать для управления квантовой интерференцией таким образом, чтобы это было полезно для вычислений, и в то же время не заставлять решение теряться в клубке квантовых возможностей. Квантовое программирование - это искусство, отличное от классического программирования, требующее очень разных инструментов для понимания и выражения квантового алгоритмического мышления. Действительно, без общих инструментов, помогающих квантовому разработчику освоить искусство квантового программирования, разработка квантовых алгоритмов не так проста.
Мы представляем Microsoft Quantum Development Kit, чтобы предоставить растущему сообществу инструменты, позволяющие совершить квантовую революцию для их задач, проблем и решений. Наш язык программирования высокого уровня Q # был разработан для решения задач квантовой обработки информации; он интегрирован в программный стек, который позволяет скомпилировать квантовый алгоритм до примитивных операций квантового компьютера. Прежде чем перейти к языку программирования, полезно рассмотреть основные принципы, на которых основаны квантовые вычисления.Мы будем считать фундаментальные правила квантовых вычислений аксиомами, а не детализировать их основы в квантовой механике. Кроме того, мы предполагаем базовое знакомство с линейной алгеброй (векторами, матрицами и т. Д.). Если требуется более глубокое изучение истории и принципов квантовых вычислений, мы отсылаем вас к справочному разделу, содержащему дополнительную информацию.
.Что именно изменит квантовые вычисления?
В январе прошлого года IBM объявила на выставке Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе, что они представляют первый в мире интегрированный квантовый компьютер для бизнеса и исследований, который будет доступен в конце этого года. Это вызвало у прессы, как правило, захватывающие дух сообщения о том, как квантовые компьютеры собираются все изменить. По правде говоря, мы не совсем уверены, что изменится в квантовых вычислениях, но это не значит, что все это шумиха.Возможно, это не «изменит все», но вполне вероятно, что ничто не останется незатронутым им, даже если косвенно.
Что такое квантовые вычисления и для чего они нужны?
Источник: Pixabay Квантовые вычисления - это когда компьютер использует квантовую суперпозицию частиц для хранения данных, как это делает бит в классическом компьютере. Кубиты, как их называют, существуют в неопределенном состоянии, включительно ограниченном 1 и 0. Это означает, что они могут быть 1, 0 или одновременно 1 и 0, потому что вселенная еще не решила, какой из них она хочет быть.
Это позволяет нам выполнять несколько вычислений одновременно, используя суперпозицию этих кубитов, открывая дверь к решению классов задач, решение которых на классическом компьютере может потребовать сотен, если не тысяч лет.
Однако есть загвоздка. Квантовые вычисления - это исключительно деликатная вещь, так как поддержание приостановленной квантовой частицы в суперпозиции можно выполнить только в течение примерно 100 микросекунд. Также ему нужны очень низкие температуры и сверхпроводники, а это не совсем то, что поместится в вашем iPhone.Такое оборудование делает квантовые компьютеры узкоспециализированным оборудованием, которое на данный момент реально применимо только для очень конкретных задач, таких как моделирование прогнозов и задачи оптимизации в сложных системах с большим количеством переменных.
СМОТРИ ТАКЖЕ: ПЕРВЫЙ ПРАКТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КВАНТОВЫХ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЛОВ МОЖЕТ РЕВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ БЕЗОПАСНОСТЬ ИНТЕРНЕТА
И даже тогда их использование на начальном этапе необходимо будет нормировать на некоторое время, как это делали старые UNIVAC. CDC будет использовать квантовые компьютеры для моделирования предстоящего сезона гриппа, поэтому местным больницам, которые не являются крупными исследовательскими центрами, придется ждать посередине в конце очень длинной очереди, пока они не закончат.Это если только Goldman Sachs не обнаружит, что ему нужно сделать финансовые прогнозы, прежде чем вы попадете во главе линии.
Итак, что изменится с квантовыми вычислениями?
Источник: Pixabay Во-первых, мы знаем наверняка, что современное шифрование RSA неуместно. Шифрование RSA основано на практической невозможности классического компьютера найти правильные простые множители очень большого целого числа, например, большого числа длиной 500 цифр. Это может занять сотни лет при использовании наших самых эффективных алгоритмов на классическом компьютере и тысячи лет, если вы просто попытаетесь найти ответ методом перебора.
Причина, по которой это можно решить с помощью квантового компьютера, заключается в том, что она уже была решена Питером Шором в 1994 году. Алгоритм Шора, как называется его решение, требует достаточно мощного квантового компьютера для работы, чтобы взломать шифрование RSA, хотя, а одного еще нет. Скоро это произойдет, и способ защиты данных будет столь же эффективным, как использование защелки на крючке и петле для защиты вашего дома. Нам придется изобрести совершенно другой способ защиты всех наших существующих данных, насколько мы знаем.
Что касается того, что, по нашему мнению, квантовые вычисления изменят, первый кандидат - это способ организации систем макроуровня, таких как телекоммуникационная инфраструктура и дороги. Как сделать эти системы оптимально сбалансированными между стоимостью и полезностью - это один из примеров проблем, которые квантовые компьютеры могут решить благодаря квантовой суперпозиции кубитов.
Источник: DepositPhotos Та же проблема оптимизации преследует глобальную цепочку поставок, и это немаловажная вещь.Транспортный сектор тратит неописуемую сумму денег - мы говорим здесь, возможно, о сотнях миллиардов долларов - из-за видов скрытой неэффективности, которые обнаружит оптимизация.
И не только правительства и бизнес могут извлечь выгоду из квантовых вычислений, но и медицина, астрономия и другие науки являются отличными кандидатами на преобразующий прогресс. У астрономов, охотящихся за экзопланетами, есть горы петабайтов данных, которые необходимо обработать, чтобы извлечь из них научно значимые выводы, и это тот вид обработки данных, который, по нашему мнению, преобразит квантовые вычисления.
В медицине квантовые вычисления, возможно, могут невероятно ускорить темпы медицинских открытий за счет обработки тех видов задач с множеством переменных, которые делают исследования в этих областях такой сложной задачей. Используя квантовую суперпозицию кубитов для моделирования видов анализа, используемых при исследовании болезней и разработке новых лекарств, мы могли бы открыть все виды новых лекарств и методов лечения, о которых никто бы никогда не подумал.
Источник: DepositPhotos Наиболее значительным событием может быть физика, где исследователи, изучающие сверхпроводимость, надеются однажды использовать квантовые вычисления для идентификации материала, который является сверхпроводящим при комнатной температуре, с помощью кубитов для моделирования различных соединений и проверки их характеристик.
Если такой сверхпроводник будет найден, то все изменит, честно говоря. Это позволило бы нам устранить потери энергии при передаче электроэнергии и преобразовать нашу энергосистему, сократив выработку электроэнергии, необходимую для питания всего, до доли того, что есть сегодня. Если мы достаточно снизим наши потребности в электроэнергии и очень, очень скоро сможем обеспечить мир энергией из возобновляемых источников.
Итак, чего не могут делать квантовые компьютеры?
Источник: Pixabay Сила квантовых вычислений заключается в наложении их кубитов.Однако то, что мы делаем с этими данными, никак не поможет квантовым вычислениям, по крайней мере, так, как мы видим сейчас. Квантовый компьютер не будет «запускать программу», как наши компьютеры сегодня; квантовые компьютеры должны будут выполнять инструкции программы построчно, как и классический компьютер. Суперпозиция обычно не помогает сделать это быстрее.
Вполне возможно, что после того, как физики и химики обнаружат сверхпроводник при комнатной температуре, их можно будет сделать достаточно маленькими, чтобы поместиться в сетевые серверы или домашние компьютеры, но если мы когда-нибудь будем использовать квантовые вычисления в наших повседневных вычислительных задачах, это будет больше Вероятно, что наш классический компьютер достиг точки в программе, которая требует типа задачи, которая лучше всего решается квантовым компьютером, например, факторизация целого числа, и он либо подключался к облачному квантовому компьютеру для обработки этой проблемы для в результате или используйте встроенный квантовый чип, QPU, чтобы решить эту проблему так, как сегодняшняя оффшорная обработка графики ЦП поступает в ГП.
Прирост производительности в миллион раз, которого некоторые ожидают, на самом деле произойдет только с плохо написанными программами, которые постоянно тормозят выполнение излишне сложных алгоритмов, которые передаются QPU. Ни одна хорошо написанная программа не сможет реализовать алгоритм грубой факторизации в любой программе, которую мы, вероятно, будем запускать в повседневной жизни.
Мы просто не знаем пределов квантовых алгоритмов
Тем не менее, никто не думал, что Mark 1 или UNIVAC превратятся в нечто большее, чем калькулятор размера комнаты.Они не могли предсказать виды использования этих вычислений.
Сегодня мы создаем квантовые калькуляторы размером с комнату, и это все, что мы действительно можем видеть в них; когда-нибудь кто-нибудь покажет нам, что мы слишком мелко думали. В конце концов, только когда разработчики языка BASIC включили команду INPUT во время третьей ревизии языков, каждый понял, что теперь он может написать программу, которая функционировала как игра, и запускать ее на мэйнфрейме.
Даже самые продвинутые видеоигры или просто единицы и нули. Алгоритмы и устройства ввода-вывода, такие как мониторы и клавиатуры, делают эти единицы и нули больше, чем просто вычисления.
В конце концов, слишком рано знать что-либо наверняка, не выглядя идиотом через 10 лет. Теоретики-информатики и математики, которые часто разрабатывают алгоритмы, которые включаются в программы, которые мы используем в повседневной жизни, только сейчас начинают исследовать, какие квантовые алгоритмы могут работать на квантовом компьютере.После того, как они их разработают, другим предстоит внедрить эти новые квантовые алгоритмы в различные виды программирования.
Однако мы можем сказать, что изменится с квантовыми вычислениями и последующим развитием передовых квантовых алгоритмов, и что это изменение скоро.
.
