Квантовые вычисления сегодня являются одной из быстро развивающихся областей компьютерных исследований. В ближайшее время квантовые компьютеры превзойдут традиционные компьютеры в определенных задачах, к которым относятся молекулярное и материальное моделирование, оптимизация логистики, финансовое моделирование, криптография и обучение искусственного интеллекта.
Если традиционные компьютеры построены на кремниевых микросхемах, содержащих миллионы или миллиарды миниатюрных транзисторов, каждый из них может находиться в состоянии «0» или «1», то квантовые компьютеры работают с «квантовыми битами» или кубитами. Аппаратно они могут поддерживаться разными способами, например, с помощью квантово-механических свойств сверхпроводящих электрических цепей или отдельных захваченных ионов. Кубиты могут существовать более чем в одном состоянии или «суперпозиции» в один и тот же момент времени. Это позволяет кубиту принимать значение «1», «0» или оба значения одновременно. Поэтому квантовый компьютер способен обрабатывать гораздо большие объемы данных, чем классический компьютер, и выполнять массовую параллельную обработку. Это также означает, что каждый кубит, добавленный в квантовый компьютер, экспоненциально увеличивает его мощность.
Большинство людей теряется, когда слышит про свойства кубита, ведь подброшенная монета не может выпадать одновременно орлом и решкой. И все же, квантовому состоянию кубита под силу что-то подобное. Поэтому неудивительно, что известный физик-ядерщик Нильс Бор однажды заявил: «Всякий, кого не шокирует квантовая теория, просто ее не понимает!». Помимо суперпозиций, кубиты могут «запутываться». «Запутанность» — еще одно ключевое квантово-механическое свойство, означающее, что состояние одного кубита может зависеть от состояния другого. Это означает, что наблюдение за одним кубитом может выявить состояние его ненаблюдаемой пары.
Создавать кубиты и управлять ими очень сложно. Многие из сегодняшних экспериментальных квантовых процессоров используют квантовые явления, возникающие в сверхпроводящих материалах, и, следовательно, нуждаются в охлаждении почти до абсолютного нуля (около — 2720 С). Также требуется защита от фонового шума, и даже в этом случае выполнение вычислений с использованием кубитов потребует исправления ошибок. И поэтому основной задачей квантовых вычислений является создание отказоустойчивой машины.
Кто на переднем рубеже создания квантовых компьютеров?
В число компаний, которые в настоящее время разрабатывают оборудование для квантовых компьютеров, относятся IBM, Alibaba, Microsoft, Google, Intel, D-Wave Systems, Quantum Circuits, IonQ, Honeywell, Xanadu и Rigetti. Многие из них работают совместно с исследовательскими группами крупных университетов, и все они продолжают добиваться значительных успехов. Давайте посмотрим, чем эти компании заняты сегодня.
IBM
IBM работает над созданием квантового компьютера уже более 35 лет. Она добилась значительного прогресса с несколькими работающими машинами. Согласно мнению подразделения IBM-Q, сегодня квантовые вычисления являются игровой площадкой для исследователей, но через 5-6 лет они станут мейнстримом. Так что стоит ожидать, что через это время эффект квантовых вычислений выйдет за рамки исследовательской лаборатории. Он будет широко использоваться новыми категориями профессионалов и разработчиков, которые используют этот новый метод вычислений для решения проблем, которые когда-то считались неразрешимыми.
В 2016 году IBM запустила сайт под названием IBM Q Experience, который показал 5-кубитный квантовый компьютер всему интернету. С этого времени к нему присоединились вторая машина на 5 кубитов и машина на 16 кубитов, обе из которых доступны для экспериментов. Чтобы помочь тем, кто хочет узнать о квантовых вычислениях и принять участие в их разработке, IBM предлагает программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. В ноябре 2017 года IBM объявила, что к ее квантовому облаку добавляются еще две 20-кубитные машины. Их могут использовать клиенты, которые являются зарегистрированными членами IBM Q Network. В их число входят ведущие компании, стартапы, академические институты и национальные исследовательские лаборатории из списка Fortune 500. И все они работают с IBM над продвижением квантовых вычислений и изучением практических приложений для бизнеса и науки. Также в ноябре 2017 года IBM объявила, что сконструировала квантовый процессор на 50 кубитов, который на тот момент считался самым мощным квантовым оборудованием.
В январе 2019 года IBM объявила о выпуске своей IBM Q System One, заявив о ней, как о первой в мире интегрированной универсальной системе приближенных квантовых вычислений, разработанной для научного и коммерческого использования. Эта модульная и относительно компактная система предназначена для использования вне лабораторных условий. Вы можете узнать больше о IBM Q System One в этом пресс-релизе. В октябре того же года компания представила новый 53-кубитный квантовый компьютер, который получил новую конструкцию процессора и более компактные компоненты. Благодаря этому улучшается масштабирование и снижается вероятность возникновения ошибок. Компьютер разработан таким образом, чтобы показывать высокую надежность в облачной среде.
Еще один технологический гигант, который усердно работает над тем, чтобы квантовые вычисления стали реальностью, — это Google, у которой есть лаборатория квантового искусственного интеллекта. В марте 2017 года инженеры Масуд Мохсени, Питер Рид и Хартмут Невен, которые работают на этом объекте, опубликовали статью в журнале Nature, где рассказали, что квантовые вычисления возможны на относительно небольших устройствах, которые появятся в течение следующих 6-7 лет. Это отчасти подтверждает взгляды IBM на сроки появления коммерческих квантовых вычислений. На раннем этапе развития квантовых вычислений компания Google использовала машину от канадской компании D-Wave Systems. Однако сейчас компания активно разрабатывает собственное оборудование, а в марте 2018 года анонсировала собственный 72-кубитный квантовый процессор под названием Bristlecone.
В июне 2019 года директор лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Хартмут Невен отчитался, что мощность их квантовых процессоров в настоящее время растет вдвое экспоненциально. Этот процесс ученые назвали «законом Невана», предполагая, что достичь точки квантового превосходства, когда квантовый компьютер может превзойти любой классический компьютер, можно уже к концу 2019 года. В октябре 2019 года команда инженеров Google сообщила, что ей удалось достичь квантового превосходства. В частности, ученые использовали квантовый процессор под названием Sycamore для выборки выходного сигнала псевдослучайной квантовой схемы. Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы 1 млн. раз. Для сравнения, команда Google подсчитала, что классическому суперкомпьютеру потребуется около 10000 лет для выполнения тех же вычислений. Далее команда пришла к выводу, что квантовые процессоры на основе сверхпроводящих кубитов теперь могут выполнять вычисления за пределами досягаемости самых быстрых классических суперкомпьютеров, доступных сегодня. Этот эксперимент знаменует собой первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре. Таким образом, квантовые процессоры достигли режима квантового превосходства.
Это откровение инженеров Google было большой новостью, но вскоре вызвало споры. IBM опубликовала обращение, в котором было отмечено, что вычисления в эксперименте Google могут быть выполнены на классическом компьютере за два с половиной дня, а не за 10000 лет. «Поскольку первоначальное значение термина «квантовое превосходство», предложенное Джоном Прескиллом в 2012 году, заключалось в описании точки, в которой квантовые компьютеры могут делать то, что не могут классические компьютеры, — эта граница еще не преодолена», — отметили в IBM.
Компании IBM принадлежат права на метрику, с помощью которой можно измерить мощность квантового компьютера и определить уровень ошибок. Метрика называется квантовый объем и включает в себя, помимо числа кубитов, производительность гейтов и компилятора, а также долю ошибок. Но это довольно сложный показатель, которым, по мнению эксперта в области квантовых вычислений Скотта Ааронсона, в теории можно было бы манипулировать. В то же время в январе 2020 года компания IBM заявила о создании квантового компьютера под названием Raleigh, квантовый объем которого составил 32 единицы. А августе прошлого года этот показатель был доведен уже до 64 на 27-кубитной системе. Только за последние четыре года IBM сделала 28 квантовых компьютеров, 8 из которых появились в 2020 году.
Alibaba
В Китае главным интернет-гигантом является Alibaba, а не Google. В июле 2015 года компания объединилась с Китайской Академией Наук, чтобы сформировать «Лабораторию квантовых вычислений CAS — Alibaba». Как пояснил профессор Цзянвэй Пан, цель лаборатории состоит в том, чтобы провести передовые исследования систем, которые кажутся наиболее многообещающими для реализации практических приложений квантовых вычислений, а также разрушить узкие места закона Мура и классических вычислений.
Как и IBM, Alibaba сделала экспериментальный квантовый компьютер доступным в интернете. В частности, в марте 2018 года китайский гигант электронного бизнеса запустил свое сверхпроводящее облако квантовых вычислений, чтобы обеспечить доступ к 11-кубитному квантовому компьютеру. Он был разработан совместно с Китайской Академией Наук и позволяет пользователям запускать квантовые программы и загружать результаты.
Microsoft
Как и следовало ожидать, Microsoft тоже заинтересована в квантовых вычислениях и работает с некоторыми ведущими учеными и университетами мира. С этой целью Microsoft создала несколько лабораторий «Station Q», в число которых входит лаборатория в Калифорнийском университете. В феврале 2019 года компания также анонсировала Microsoft Quantum Network, чтобы объединить вместе все партнерские коалиции. Ключевым элементом стратегии Microsoft является разработка квантовых компьютеров на основе топологических кубитов, которые, по мнению компании, будут менее подвержены ошибкам. В Microsoft также считают, что топологические кубиты будет легче масштабировать для коммерческого применения. В статье, опубликованной в Computer Weekly в мае 2018 года, вице-президент Microsoft, отвечающий за квантовые вычисления, подчеркнул, что коммерческие квантовые компьютеры могут появиться на их облачной платформе Azure всего через 5 лет.
Что касается программного обеспечения, то в декабре 2017 года Microsoft выпустила предварительную версию своего инструмента разработчика вычислительной техники. Его можно загрузить бесплатно. Он включает язык программирования под названием Q# и симулятор квантовых вычислений. В мае 2019 года Microsoft сообщила, что собирается открыть исходный код инструмента разработчика. А в мае 2020 года компания анонсировала свой сервис облачных вычислений Azure Quantum.
Intel
Компания Intel как ведущий производитель микропроцессоров в мире тоже работает над созданием микросхем для квантовых вычислений. Компания применяет два различных подхода. Одно из этих направлений проводится совместно с ведущим голландским пионером квантовых вычислений QuTech. 17 ноября 2017 года Intel объявила о поставке своему партнеру в Нидерландах тестового чипа на 17 кубитов. Затем, в январе 2018 года на выставке CES компания объявила о поставке тестового квантового процессора на 49 кубитов под названием Tangle Lake. Второе направление исследований Intel в области квантовых вычислений проводится исключительно внутри компании и включает в себя создание процессоров на основе технологии, называемой спиновой кубит.
Это важное нововведение, поскольку чипы спиновых кубитов производятся с использованием традиционных методов изготовления кремния Intel. В июне 2018 года Intel сообщила, что начала тестирование 26-спинового кубитного чипа. Спиновые кубиты Intel имеют диаметр всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это означает, что, возможно, через 10 лет Intel сможет производить крошечные квантовые процессоры, содержащие тысячи или миллионы кубитов. В отличие от обычных процессоров, их нужно охлаждать почти до абсолютного нуля. Но потенциал поистине захватывающий. Согласно разделу сайта Intel, посвященному квантовым вычислениям, компания нацелена на производство квантовых процессоров в течение 10 лет и ожидает, что технология начнет входить в свою коммерческую фазу примерно в 2025 году.
D-Wave Systems
D-Wave Systems — пионер квантовых вычислений, базирующийся в Канаде, который еще в 2007 году продемонстрировал 16-кубитный квантовый компьютер. В 2011 году компания продала 128-кубитную машину D-Wave One за 10 млн. долларов американской военно-промышленной корпорации Lockheed Martin. В 2013 году 512-кубитные D-Wave Two были поставлены NASA и Google. К 2015 году D-Wave преодолела барьер в 1000 кубитов со своим D-Wave 2X, а в январе 2017 года продала свою первую 2000-кубитную машину D-Wave 2000Q компании Temporal Defense Systems, специализирующейся на кибербезопасности.
Столь насыщенный список достижений предполагает, что D-Wave должен быть ведущим производителем квантовых компьютеров в мире. В конце концов, это единственная компания, которая торгует такими машинами. Тем не менее, работа компании остается спорной. И все потому, что их оборудование основано на адиабатическом процессе, называемом «квантовый отжиг», который другие пионеры зарождающейся индустрии отвергли, как ограничительный и тупиковый. IBM, например, использует подход к квантовым вычислениям на основе затвора, который позволяет ей управлять кубитами аналогично тому, как транзистор управляет потоком электронов в обычном микропроцессоре. Но в системе D-Wave такого контроля нет. Вместо этого квантовый компьютер D-Wave использует факт того, что все физические системы стремятся к состояниям с минимальной энергией. Так, например, если вы заварите чашку чая и отлучитесь по делам, то когда вы вернетесь, она будет холодной, потому что содержимое стремится к минимальному энергетическому состоянию. Кубиты в системе D-Wave также этому подвержены, и поэтому компания использует свое оборудование для решения проблем оптимизации, которые могут быть выражены как проблемы минимизации энергии. Это ограничивает в возможностях, но все же позволяет аппаратному обеспечению выполнять определенные алгоритмы намного быстрее, чем классический компьютер.
В августе 2016 года в статье Physical Review X сообщалось, что некоторые алгоритмы работают до 100 млн. раз быстрее на D-Wave 2X, чем на одноядерном классическом процессоре. Одним из авторов этого исследования оказался технический директор Google. Все это говорит о том, что мнение о ценности работы D-Wave для развития квантовых вычислений остается спорным. Но компания продолжает продвигать свои квантовые компьютеры, обещая увеличить количество кубитов в новом компьютере до 5000. К тому же, в октябре 2018 года D-Wave запустила облачную квантовую среду приложений под названием Leap. Она обеспечивает доступ в реальном времени к квантовому компьютеру D-Wave 2000Q, а в марте 2019 года доступ был расширен, чтобы предоставить такую возможность Японии и всей Европе.
IonQ и Rigetti
Компания IonQ специализируется в области квантовых вычислений с захваченными ионами. Инженеры утверждают, что их технология сочетает в себе непревзойденную физическую производительность, идеальную репликацию кубитов, возможность подключения к оптическим сетям и высокооптимизированные алгоритмы, чтобы создать квантовый компьютер, который является столь же масштабируемым, сколь и мощным и который будет поддерживать широкий спектр приложений в самых разных отраслях. Еще один игрок в области квантовых вычислений — это стартап Rigetti. В компании уже работает более 120 сотрудников, и они собрали 19-кубитный квантовый компьютер доступный в интернете через собственную среду разработки под названием Forest.
Кстати, эти две компании, как и D-Wave Systems, привлекли внимание Amazon. В конце 2019 года Amazon Web Services представила три инициативы, которые призваны вывести квантовые вычисления на уровень доступности облачных сервисов. Одна из инициатив под названием Amazon Braket — это полностью управляемый сервис AWS, который позволяет ученым, исследователям и разработчикам работать и проводить эксперименты с квантовыми системами, основанными на трех различных технологиях кубитов. Эта единая среда разработки может использоваться для создания квантовых алгоритмов, их тестирования на симуляторах квантовых компьютеров, а затем и на реальных аппаратных средствах.
Quantum Circuits и Xanadu
Очередной стартап в этой сфере — Quantum Circuits, который был основан ведущим профессором квантовых вычислений Робертом Шелкопфом и его коллегами из Йельского университета. Компания привлекла 18 млн. долларов венчурного капитала и планирует победить гигантов компьютерной индустрии в гонке за создание жизнеспособного квантового компьютера. Компания Xanadu интегрирует квантовые кремниевые фотонные чипы в существующее оборудование для создания полнофункциональных квантовых вычислений. Как отмечают в компании, по сравнению с другими технологиями кубитов фотоны очень стабильны и почти не подвержены влиянию случайного шума от тепла. «Мы используем фотонные чипы для генерации, управления и измерения фотонов способами, обеспечивающими чрезвычайно быстрые вычисления», — говорят в Xanadu.
Honeywell
Honeywell — это еще одна компания, которая применяет способ квантовых вычислений с захваченными ионами и у которой довольно большой опыт в области бизнес-вычислений. В июне 2020 года Honeywell объявила о создании самого высокопроизводительного квантового компьютера в мире. Остальные компании отнеслись к этому скептически. Но тем не менее это еще одна важная разработка, так как американский финансовый холдинг JPMorgan Chase уже экспериментирует с этой системой для разработки приложений финансовых услуг, включая обнаружение мошенничества и торговлю под управлением искусственного интеллекта. Квантовый объем разработки Honeywell достигает показателя в 64 единицы.
Разработчики программного обеспечения для квантовых компьютеров
Ни один квантовый компьютер не сможет использоваться без соответствующего программного обеспечения. Многие из производителей этих машин разрабатывают собственное, тем не менее количество стороннего программного обеспечения для квантовых вычислений постоянно растет.
IBM
В сентябре 2020 года IBM опубликовала дорожную карту развития технологий квантовых вычислений, поставив перед собой цель создать систему на 1000 кубитов и более, которая способна продемонстрировать квантовое преимущество к 2023 году. А 4 февраля 2021 года компания IBM представила дорожную карту развития открытой экосистемы программного обеспечения для квантовых вычислений, которая среди прочего предусматривает стократное ускорение работы квантовых приложений уже в текущем году. В IBM Research видят будущее квантовых вычислений, в котором разработчикам не надо будет учить новые языки программирования или запускать код отдельно на специализированном оборудовании. Напротив, квантовые компьютеры станут частью стандартных вычислительных ресурсов как графические ускорители или внешние устройства. Дорожная карта развития открытой экосистемы ПО для квантовых вычислений IBM включает следующие шаги:
Стократное ускорение компанией IBM среды выполнения для всех квантовых компьютеров уже в 2021 году позволит всего за несколько часов выполнять расчеты, которые пока занимают несколько дней.
В этом году IBM планирует выпустить Qiskit runtime — среду выполнения, которая позволит запускать больше процессов и с большей производительностью. Квантовая среда выполнения — это новый взгляд на комбинацию классических и квантовых вычислений. Программы запускаются на обычном компьютере, связанном с расположенным рядом квантовым компьютером, тем самым мы значительно снижаем задержку, вызванную передачей данных с пользовательского компьютера на квантовый процессор и обратно.
В 2022 году IBM сделает доступными для разработчиков динамические квантовые схемы (квантовая схема – последовательность инструкций для выполнения), которые позволят решать на квантовых компьютерах прежде невыполнимые задачи.
К 2022 году обновленное ПО, в частности недавно представленный язык ассемблера OpenQASM3, в сочетании с развитием технологий квантовых вычислений позволит программистам запускать динамические схемы, содержащие как классические, так и квантовые инструкции, которые выполняются в пределах времени когерентности кубитов.
В 2023-2024 годах IBM представит библиотеки готовых квантовых схем для разработчиков. С выпуском этих библиотек и развитием систем управления для работы с большими пакетами кубитов, доступных через IBM Cloud в привычных средах и фреймворках, разработчики смогут в полной мере воспользоваться всеми преимуществами квантовых устройств с тысячей кубитов и более без необходимости изучения принципов их работы.
1QBit
1QBit сотрудничает с крупными компаниями и ведущими поставщиками оборудования для решения отраслевых задач в области оптимизации, моделирования и машинного обучения. Компания разрабатывает программное обеспечение как для классических, так и для квантовых процессоров.
CQC
Cambridge Quantum Computing разрабатывает программное обеспечение для квантовых компьютеров под решения самых интригующих задач в таких областях, как квантовая химия, квантовое машинное обучение и квантовая кибербезопасность. В число клиентов CQC входят компании, стоящие в ряду крупнейших в мире химических, энергетических, финансовых и материаловедческих организаций, которые пробуют использовать возможности квантовых вычислений.
QC Ware
QC Ware разрабатывает корпоративное программное обеспечение и услуги для квантовых вычислений с такими клиентами, как Airbus, BMW и Goldman Sachs, а также партнерами в лице AWS, D-Wave Systems, Google, IBM, Microsoft и Rigetti.
QSimulate
QSimulate разрабатывает программное обеспечение, чтобы использовать возможности количественного моделирования для решения насущных проблем в фармацевтической и химической областях.
Rahko
Rahko создает программное обеспечение, которое предназначено для использования квантового машинного обучения под решение задач квантовой химии.
Zapata
Zapata работает со своими клиентами над разработкой программного обеспечения для квантовых компьютеров с целью решения сложных вычислительных задач в таких областях, как химия, финансы, логистика, фармацевтика, машиностроение и материалы.
Origin Quantum
Китайские ученые представили новую операционную систему для квантовых компьютеров, которая, по итогам тестирования, может в несколько раз повысить эффективность работы ныне существующих квантовых компьютеров. Система под названием Origin Pilot была разработана с независимыми правами интеллектуальной собственности технологической компанией Origin Quantum, действующей при ведущей лаборатории по квантовой информатике Академии наук КНР в городе Хэфэй, административном центре восточнокитайской провинции Фуцзянь.
Как сообщает агентство Синьхуа, новая система совершила ряд прорывов в параллельном выполнении задач квантовых вычислений, автоматизированной калибровке квантовых чипов и систематического управления квантовыми ресурсами. Новая операционная система будет применена на облачной платформе квантовых вычислений и станет доступна для пользователей всего мира.
Пользователи приложений квантовых компьютеров
Приложения для квантовых компьютеров включают молекулярное моделирование, также известное как квантовая химия, оптимизацию логистики, финансовое моделирование, криптографию и обучение искусственного интеллекта. Некоторые крупные предприятия уже активно изучают вопросы, что именно квантовые машины смогут сделать для их исследований и разработок, продуктов и услуг, а также их чистой прибыли. Приведем несколько примеров.
Daimler работает как с IBM, так и с Google, чтобы исследовать, как квантовые компьютеры могут использоваться в логистике, чтобы оптимизировать маршруты доставки автомобилей или поток запчастей через фабрики. Компания также изучает, как квантовые компьютеры можно использовать для моделирования химических структур и реакций внутри батарей, чтобы помочь в усовершенствовании электромобилей. Другой автомобильный гигант Volkswagen работает с Google и с D-Wave Systems, чтобы применить квантовые компьютеры в решении проблем оптимизации транспортного потока и в разработке лучших аккумуляторов.
В финансовом секторе JPMorgan работает с IBM, чтобы изучить, как квантовые компьютеры смогут помочь в разработке торговых стратегий, оптимизации портфеля, ценообразования на активы и анализа рисков. Другой финансовый конгломерат — Barclays участвует в сети IBM Q Network, чтобы выяснить, можно ли использовать квантовые компьютеры для оптимизации расчетов по крупным пакетам финансовых транзакций.
В 2011 году аэрокосмический гигант Lockheed Martin стал первым покупателем квантового компьютера, произведенного D-Wave Systems, и продолжил изучение возможности использования этой технологии для приложений, включая управление воздушным движением и проверку системы. Airbus аналогичным образом исследует, как квантовые компьютеры могут ускорить его исследовательскую деятельность, и вложил средства в компанию QC Ware, производящую программное обеспечение для квантовых машин.
Реально ли квантовое будущее?
Квантовые вычисления довольно быстро превращаются из фантазий в реальность. Разумно предположить, что в середине 20-х годов из облака будут доступны квантовые суперкомпьютеры, которым найдут практичное применение и это будет стоить не так дорого. Вполне возможно, что через 5-6 лет основные службы интернет-поиска и облачного искусственного интеллекта будут использовать возможности квантовых машин, а большинство пользователей этого и не осознают. Получить больше информации о квантовых вычислениях и многом другом, связанном с будущими вычислительными разработками, например, органическими компьютерами, вы можете в книге «Digital Genesis» Кристофера Барнатта (Christopher Barnatt), футуролога из Ноттингемского университета и автора сайта explainingcomputers.com.
