Квантовые вычисления переживают момент. Но технология остается футуристической
Конечно, это не так популярно, как искусственный интеллект, но квантовые вычисления переживают свой собственный расцвет.
Некоторые из самых влиятельных институтов в мире, включая Google , Майкрософт , Амазонка , IBM и правительство США тратят многие миллионы долларов на разработку и создание первого практического квантового компьютера.
По данным отчета McKinsey & Co. , в прошлом году стартапы, ориентированные на квантовые технологии, привлекли около 2 миллиардов долларов, поскольку инвесторы вливаются в отрасль, которая в течение десятилетия может принести доход почти в 100 миллиардов долларов.
Но сегодня дела идут не очень. Согласно тому же отчету, в 2024 году компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, в общей сложности получили менее 750 миллионов долларов дохода.
Но все чаще мы слышим о большом прорыве.
В прошлом году Microsoft представила свой первый квантовый чип, руководители Google заявили, что технология может появиться всего через пять лет, Amazon продемонстрировала свой квантовый процессор с коррекцией ошибок, а IBM изложила свой план по созданию полноценного квантового компьютера к 2029 году.
К ним присоединяются десятки небольших компаний и университетов, работающих над базовой математикой, программным обеспечением или потенциальной бизнес-моделью. Некоторые из компаний даже торгуются на бирже и могут увидеть взлет или падение своих акций в зависимости от ядра новостей.
В январе Nvidia Генеральный директор Дженсен Хуан спровоцировал падение акций квантовых вычислений, когда он сказал, что 15 лет — это «рано» в оценке того, сколько времени пройдет, прежде чем квантовые вычисления станут полезными. В то время он сказал, что 20 лет — это временной интервал, в который «многие из нас поверят».
Два месяца спустя он отказался от своих комментариев, но также выразил удивление тем, что они повлияли на рынки или что вообще были рынки, которые можно было повлиять.
«Как компания, занимающаяся квантовыми компьютерами, может быть публичной?» — сказал Хуан в марте.
Сейчас квантовые компьютеры не могут делать ничего полезного. Они предназначены исключительно для исследований.
Но обещание ясно. Если технология сработает, она сможет обрабатывать определенные виды чисел и выполнять некоторые задачи, которые в настоящее время невозможны на традиционном компьютере или которые потребуют так много времени, что вселенная закончится до их завершения.
Чтобы представить себе квантовый компьютер, вам придется в корне изменить свое представление о том, что значит производить вычисления.
Традиционный компьютер работает, потому что на каждом чипе миллиарды транзисторов. Эти транзисторы могут быть единицами или нулями — включенными или выключенными. В больших количествах транзисторы могут представлять почти каждое число, ссылаться на части памяти системы и выполнять арифметические действия. Именно так сегодня работает каждый компьютер в мире.
В квантовом компьютере система использует кубиты вместо транзисторов. Это гораздо сложнее, чем единицы и нули. Включены кубиты или выключены, определяется квантовой механикой, и все кубиты «запутаны», что означает, что изменение одного из них повлияет на вероятность других.
Заставить кубиты работать может потребоваться значительная инфраструктура. Например, некоторые квантовые компьютеры должны работать при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю.
До сих пор многие приложения квантовой механики были связаны с моделированием химии и физики.
«Квантовые компьютеры не будут выбором для всех приложений, и это нормально», — сказала Криста Своре, вице-президент Microsoft по передовым квантовым разработкам. «Даже если мы будем использовать квантовые компьютеры только для материаловедения и химии, 96% производимых в мире товаров зависят от химии и материаловедения».
Сегодня есть одно хорошо понятное применение квантовых вычислений: шифрование. Вот почему правительство США и другие страны мира внимательно следят за развитием этой технологии. Это важно для национальной обороны.
«Есть опасения, что квантовые компьютеры смогут взломать наши цифровые секреты», — сказал Джон Янг, операционный директор американского подразделения Quantum eMotion, компании, занимающейся квантовой безопасностью.
В настоящее время большинство паролей, текстов WhatsApp, финансовых транзакций и других важных сообщений зашифрованы, что означает, что они зашифрованы и не могут быть прочитаны, если данные будут украдены или просмотрены. Но квантовые компьютеры смогут быстро факторизовать числа, что может позволить хакерам или другим злоумышленникам эффективно находить коды, необходимые для расшифровки важных секретов.
Исследователи безопасности беспокоятся о том, что они называют Q-Day , или дне, когда будет создан эффективный квантовый компьютер. Они предсказывают хаос, когда пароли и шифрование начнут таинственным образом давать сбой.
«Наряду с потенциальными преимуществами квантовые вычисления также представляют значительные риски для экономической и национальной безопасности Соединенных Штатов», — заявил Белый дом Байдена в 2022 году в меморандуме по национальной безопасности . Криптографически релевантный квантовый компьютер «может поставить под угрозу гражданские и военные коммуникации, подорвать системы надзора и контроля для критически важной инфраструктуры и нарушить протоколы безопасности большинства финансовых транзакций в Интернете», — говорится в меморандуме.
Не существует практического приложения или алгоритма, который можно было бы реализовать на квантовом компьютере, но который сегодня нельзя было бы реализовать на обычном цифровом компьютере на основе кремния.
Однако несколько групп утверждают, что доказали «квантовое превосходство», указав, что они запустили задачу на квантовом компьютере, которая заняла бы гораздо больше времени на традиционном компьютере. Все действия были абстрактными.
Компания Google первой заявила о квантовом превосходстве в 2019 году, назвав достижение своего квантового компьютера « эталоном ». Выполненная им задача называется случайной выборкой цепей и в основном используется только для тестирования квантовых компьютеров.
Google утверждает, что исследователи дали компьютеру случайные инструкции, чтобы сделать задачу максимально сложной в рамках квантовой механики. Затем исследователи смогли показать, что квантовый компьютер быстрее расшифровывает квантовую задачу. В прошлом году Google заявила, что ее новый, более быстрый квантовый компьютер Sycamore увеличил разрыв в производительности.
С точки зрения будущих практических применений, наибольший потенциал квантовых компьютеров лежит в сферах медицины, химии и материаловедения.
Google указывает на открытие лекарств или нахождение молекул, которые могли бы быть полезными лекарствами. Он также говорит, что квантовые компьютеры смогут заниматься наукой, необходимой для коммерциализации термоядерной энергии.
Когда в феврале Microsoft анонсировала свой первый квантовый чип, компания уделила особое внимание проблемам химии и материаловедения, например, почему некоторые материалы подвержены коррозии или как компостировать пластик.
Также есть определенный оптимизм в отношении того, что квантовые компьютеры будут хорошо подходить для генерации обучающих данных для приложений ИИ, особенно для ситуаций или задач с огромным количеством потенциальных решений.
Исследователь Google ведет веб-страницу , на которой каталогизированы многие из самых известных квантовых алгоритмов.
Самым известным из них является алгоритм Шора , который показал, что квантовый компьютер сможет находить простые множители больших чисел гораздо быстрее, чем это в настоящее время возможно на цифровом компьютере.
Когда алгоритм был открыт в 1994 году, он вызвал некоторую обеспокоенность у военных по всему миру. Многие из них используют метод шифрования под названием RSA, который требует, чтобы процесс факторизации больших чисел был сложным для сохранения данных в тайне.
Существуют опасения, что квантовый компьютер позволит противнику вроде Китая быстро расшифровывать военные сообщения США или банковские транзакции потребителей.
«Без эффективных мер по смягчению последствий использование квантового компьютера в противоправных целях может иметь разрушительные последствия для [систем национальной безопасности] и нашей страны», — заявил Пентагон в 2021 году .
Microsoft признала фактор национальной безопасности и даже представила квантовую безопасность как гонку с Китаем.
«Хотя большинство полагает, что Соединенные Штаты по-прежнему удерживают лидирующую позицию, мы не можем позволить себе исключать возможность стратегического сюрприза или того, что Китай уже может достичь паритета с Соединенными Штатами», — написал президент Microsoft Брэд Смит в своем блоге в апреле.
Правительство возглавило усилия по переводу шифрования на так называемые постквантовые методы, которые не могут быть взломаны квантовым компьютером. Такие компании, как Apple уже начали интегрировать постквантовое шифрование в свои сервисы, такие как iMessage .
Но прошлые сообщения все еще могут содержать секреты. Спецслужбы и другие хакеры часто собирают зашифрованные данные в надежде, что однажды их можно будет расшифровать.
На данный момент большая часть работы в области квантовой физики носит скорее академический характер.
Большинство компаний, выпускающих передовое оборудование, сегодня работают над «исправлением ошибок» или различными методами, призванными сократить количество ошибок и сделать их менее опасными в случае их возникновения.
По словам исследователей Microsoft, в современных квантовых компьютерах кубиты выходят из строя примерно 1 раз из 1000, когда они используются. На прошлой неделе Microsoft заявила , что смогла снизить частоту ошибок в 1000 раз благодаря новому подходу.
За последний год было объявлено о нескольких усовершенствованиях в области исправления ошибок, и это одна из причин, по которой исследователи и инженеры все больше уверены в том, что им удастся создать квантовый компьютер.
Следующая проблема, которую необходимо решить, — это масштабирование компьютеров.
Новый чип Willow от Google имеет 105 кубитов. Чип Majorana от Microsoft имеет восемь. Starling от IBM планирует иметь 200 кубитов. Чип Ocelot от Amazon имеет 14 кубитов. В ближайшие годы эти цифры должны значительно возрасти. Google и Microsoft говорят, что по-настоящему полезному квантовому компьютеру понадобится 1 миллион кубитов.
CNBC
