Квантовый скачок: почему следующая волна компьютеров изменит мир
В 1936 году Алан Тьюринг предложил машину Тьюринга , которая стала основополагающим ориентиром для теорий о компьютерах и вычислительной технике. Примерно в то же время Конрад Цузе изобрел компьютер Z1 , который считается первым электромагнитным двоичным компьютером.
То, что произошло дальше, стало историей, и в нашем современном мире компьютеры повсюду. Наша жизнь кардинально отличается от той, что была даже в конце 20-го века, и наши мобильные телефоны имеют гораздо более мощные процессоры, чем настольные компьютеры всего несколько лет назад. Появление Интернета вещей привносит компьютерную мощь в каждую мельчайшую деталь нашей жизни. Всемирная паутина оказала такое преобразующее влияние на общество, что многие люди даже не могут вспомнить жизнь до того, как они были в сети.
Основным катализатором этой трансформации стало открытие кремния и его использование в производстве хороших транзисторов. Это происходило в течение более 100 лет, начиная с того момента, когда Майкл Фарадей впервые зарегистрировал полупроводниковый эффект в 1833 году , через Морриса Таненбаума, который построил первый кремниевый транзистор в Bell Labs в 1954 году , до первой интегральной схемы в 1960 году .
Мы собираемся отправиться в аналогичное путешествие в нашем стремлении создать компьютер следующего поколения. Квантовая физика , появившаяся в начале 20-го века, настолько мощна и в то же время так непохожа на все, что было известно до того, что даже изобретателям было трудно понять ее в деталях.
История будущего
В начале 1980-х Ричард Фейнман, Пол Бениофф и Юрий Манин заложили основу для совершенно новой парадигмы квантовых вычислений, представив идею о том, что квантовые вычисления способны решать проблемы, которые «классические вычисления» не могут. И вот квантовые вычисления вступили в свои права.
Питер Шор опубликовал алгоритм в 1994 году, способный эффективно решать проблемы криптографии, которые трудно решить для классических компьютеров, то есть подавляющего большинства компьютеров, используемых сегодня. На самом деле алгоритм Шора продолжает угрожать основам большинства шифрований, развернутых по всему миру.
Проблема заключалась в том, что в 1994 году квантового компьютера не было видно. В 1997 году был построен первый крошечный квантовый компьютер, но поле действительно взлетело только тогда, когда канадский стартап D-Wave представил свой квантовый компьютер с 28 кубитами в 2007 году.
Подобно траектории неквантовой коммуникации, которая заняла более 100 лет от открытия до массового использования, квантовые компьютеры в настоящее время развиваются очень быстро. Сегодня многие игроки сражаются за то, кто может построить первый мощный квантовый компьютер. К ним относятся коммерческие структуры, такие как IonQ, Rigetti, IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel, в то время как практически все крупные государства тратят миллиарды долларов на разработку и исследование квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры являются мощными, но настолько сложными для сборки, что тот, кто сможет взломать код, будет иметь длительное мощное преимущество. Это не может быть преуменьшено. Вот яркий пример силы квантовых вычислений.
Чтобы сломать широко используемое 2048-битное шифрование RSA, классическому компьютеру с одним триллионом операций в секунду потребуется около 300 триллионов лет. Это так долго, что мы все чувствуем себя в безопасности.
Квантовый компьютер, использующий алгоритм Шора, может достичь того же результата всего за 10 секунд со скромным 1 миллионом операций в секунду. В этом сила квантовых компьютеров: 300 триллионов лет против 10 секунд.
Еще одна причина, по которой национальные государства вкладывают столько денег в эту область, заключается именно в том, что, поскольку это так сложно, любое достижение напрямую принесет прочное преимущество.
Итак, где сегодня квантовые компьютеры и куда они направляются?
Квантовые вычисления: непрерывный процесс
Учитывая огромные проблемы, связанные с созданием квантовых компьютеров, я бы сказал, что мы примерно на том же уровне, что и в 1970-х годах с классическими компьютерами. У нас есть несколько квантовых компьютеров, но они все еще довольно ненадежны по сравнению с сегодняшним стандартом. Мы называем их устройствами NISQ - устройствами Noisy Intermediate-Scale Quantum. Шумно, потому что они довольно плохие, и среднего масштаба из-за их малого числа кубитов. Но они работают. Есть несколько общедоступных квантовых компьютеров, на которые можно программировать. IBM, Rigetti, Google и IonQ предоставляют открытый доступ с инструментами с открытым исходным кодом для реального оборудования квантовых вычислений. IBM даже продает квантовый компьютер, который вы можете поместить в свой собственный центр обработки данных ( IBM Q System One ).
Но они еще недостаточно мощны, чтобы ломать 2048-битные ключи RSA, и, вероятно, не будут работать еще 10–20 лет.
Дата сравнения 1970 года работает и под другим углом. В октябре 1969 года исследователи отправили первое сообщение через Интернет (тогда оно называлось ARPANET ). Когда они пытались отправить одно слово «логин», система зависала после отправки «l» и «o». Позже он восстановился, и сообщение было успешно отправлено.
Сегодня мы также создаем квантовую коммуникационную систему, которая не передает биты и байты, но квантовые состояния, которые могут понять квантовые компьютеры. Это важно, чтобы мы могли создать квантовую версию интернета.
Это также важно как способ шифрования связи, так как квантовый канал обеспечивает некоторые физические гарантии передачи. Не вдаваясь в подробности, есть фундаментальное свойство, благодаря которому простой акт прослушивания или прослушивания сообщения будет обнаруживаться сторонами, осуществляющими связь. Не потому, что у них причудливая система, а из-за фундаментальных свойств квантового канала.
Но квантовые компьютеры полезны не только для криптографических приложений и коммуникаций. Одним из наиболее непосредственных применений является машинное обучение, где мы уже сегодня находимся на пороге квантового преимущества - это означает, что квантовый алгоритм превзойдет любой классический алгоритм. Считается, что квантовое преимущество для машинного обучения может быть достигнуто в течение следующих 6-12 месяцев. Краткосрочные приложения для квантовых вычислений бесконечны: криптография, машинное обучение, химия, оптимизация, связь и многое другое. И это только начало, исследования все шире распространяются на другие области.
Google и NASA только что объявили, что достигли «квантового превосходства». Это способность квантовых компьютеров выполнять определенные задачи, которые классический компьютер просто не может выполнить в разумные сроки. Их квантовый компьютер решил проблему за 200 секунд, что потребует от самого быстрого суперкомпьютера в мире 10000 лет.
Проблема, которая была решена, не имеет никаких практических достоинств или последствий, однако она демонстрирует огромный потенциал квантовых компьютеров и способность раскрыть этот потенциал в ближайшие годы.
Это открывает совершенно новую эру, в которой мы можем теперь сосредоточиться на создании квантовых компьютеров с практическими преимуществами, и, хотя это будет еще через много лет, это будет новый рубеж в вычислениях.