Квантовые компьютеры: гонка производителей

Это вторая статья о квантовых компьютерах. В первой было рассказано о физических принципах в основе квантовых вычислений и о трудностях, с которыми приходится сталкиваться разработчикам и производителям вычислительных устройств новейшего типа. Здесь речь пойдет о реальном «железе», работающем «под капотом» квантовых компьютеров, а также о тех, кто его разрабатывает.

Скрывать нельзя рассказывать

Преимущества будущего универсального квантового компьютера заставляют всё новых и новых игроков включаться в гонку. Ведь лидер, сумевший в полной мере использовать явления микромира для вычислений, получит инструмент невиданной мощности, почет, славу и коммерческую выгоду, размер которой трудно представить.

Во многом из-за этого немалая часть усилий команд и компаний, разрабатывающих квантовые компьютеры, направлена на пиар и рекламу. Важно заявить о себе как можно громче, убедить спонсоров и общественность в своей способности покорить капризные кубиты и получить реальную отдачу от вложений. Здесь же спрятана причина и обратного процесса: успешные разработки, подробности технологических и научных достижений нужно сохранить, не дав конкурентам возможность использовать их.

Однако всё вышесказанное не отменяет и такого соображения: изыскания в области квантовых вычислений чрезвычайно сложны, они находятся на пике научного прогресса, используют новейшие технологические инструменты, поэтому без коллаборации и сотрудничества институтов и лабораторий движение вперед затруднено.

В попытках увязать все три составляющие — необходимость сотрудничать, важность информирования сообщества о своей работе и стремление уберечь передовые разработки от глаз конкурентов — и существует сейчас вся отрасль разработчиков и производителей квантовых компьютеров.

Симуляция квантового запутывания и другие тонкие вопросы

Разработчики квантовых компьютеров сталкиваются с проблемами, которые в буквальном смысле являются вызовом всему научному сообществу. Например, для того, чтобы проверить правильность работы алгоритмов уже построенного квантового устройства, необходимо произвести их отладку, а для этого нужно построить компьютерную систему, сопоставимую по мощности и объему вычислений.

Эта задача нетривиальна, ведь смысл квантового компьютера состоит в том, что он параллельно может обрабатывать большое количество данных: каждый кубит находится в суперпозиции — в «смеси» всех возможных его состояний.

Нет сложности в том, чтобы построить симуляцию одного или нескольких кубитов, но с добавлением каждого следующего кубита требования к традиционной компьютерной системе растут экспоненциально. Так, для эмуляции 10 кубитов необходимо всего 8 килобайт памяти, для 20 — 8 мегабайт, для 30 — 8 гигабайт, для 40 — 8 терабайт, для 50 — 8 петабайт.

Обработка всех этих состояний требует невиданных вычислительных мощностей: существующие традиционные суперкомпьютеры просчитывают один квантовый алгоритм в течение многих часов.

Существенная проблема, которая стоит перед разработчиками, — это время декогеренции. Сохранить квантовое состояние кубита и что-то сделать с ним в рамках алгоритма очень непросто: нужно успеть за десятки (иногда сотни) микросекунд. «Тонкая» природа чтения, записи и взаимодействий кубитов между собой влечет нарастающее количество ошибок при каждой операции.

Еще одна трудность — технология связывания, запутывания кубитов. Среднее количество кубитов, с которыми может быть запутан конкретный кубит, в современных схемах равняется шести, и, как правило, это исключительно соседние кубиты, а для полноценной реализации квантовых алгоритмов необходимо, чтобы каждый кубит мог быть связан с любым другим, и к тому же с их неограниченным количеством. Это вынуждает ученых и инженеров разрабатывать различные ухищрения — специальные схемы вычислений, чтобы каждая ветвь алгоритма использовала только ближайшие кубиты, или перезаписывать требуемые кубиты последовательно, по цепочке, «передвигая» к требуемому.

Солнечный газ не для смешного голоса

Гелий — это очень легкий инертный газ, второй элемент периодической системы Менделеева. Свое название он получил благодаря ряду казусов и парадоксов. Helios — «солнце» по-гречески, а названием газа это слово стало потому, что элемент был впервые обнаружен при изучении спектра газов на солнце. Окончание «-ий» (англ. -um) традиционно присваивается металлам, и гелию оно досталось потому, что первоначально по ошибке этот элемент отнесли именно к металлам.

Неискушенным в науке и технологиях людям гелий известен в основном благодаря его применению в развлекательной индустрии (им надувают воздушные шары), а также забавной особенности: при вдыхании этого газа у человека изменяется голос — становится высоким и очень смешным.

В статье о квантовых вычислениях рассказ о гелии, естественно, неслучаен: этот газ активно используется при создании систем охлаждения вычислительных устройств. Так как требования к изоляции кубитов от внешней среды очень высоки (любая, даже малейшая флуктуация внешних параметров может привести к непоправимому росту ошибок при вычислениях), то, как правило, разработчики помещают квантовые процессоры в среду, которая имеет температуру, близкую к абсолютному нулю. Гелий выступает хладагентом, инертность которого очень помогает при создании изолированных систем.

Рост интереса, активная разработка и подключение к процессу всё новых игроков приводят к тому, что спрос на гелий растет. Однако ситуацию с поставками этого газа на мировом рынке безоблачной не назовешь. В 2019 году цены на гелий увеличились почти в два раза. Аналитики связывают это с вступлением в силу законодательного акта от 2013 года в США — главном потребителе и поставщике гелия. На рынке создается дефицит, связанный с запретом экспорта и распределением этого газа по квотам.

Ситуация с ограничениями со стороны США не нова. Дефицит гелия, например, был одной из причин катастрофы «Гинденбурга» — знаменитого немецкого дирижабля. Создатели этого летательного аппарата не получили доступа к гелию (который также регулировался Соединенными Штатами согласно квотам) и вынуждены были использовать взрывоопасный водород.

Дело в том, что гелий, несмотря на то, что он является вторым по распространенности химическим элементом во Вселенной, на Земле имеется только в ограниченных количествах. Более того, запасы его конечны, а потери восполнить невозможно — в свободном состоянии этот легкий газ улетучивается и покидает атмосферу планеты. Получение гелия промышленным способом требует довольно серьезных технологических систем: газ образуется при альфа-распаде радиоактивных веществ, таких как уран и торий, и как сопутствующий газ — при добыче природного газа.

Гелий важен не только для развлекательной отрасли и квантовых компьютеров. Этот газ — важный элемент в таких областях применения, как магнитно-резонансная томография, производство микросхем, изготовление анализаторов взрывчатых веществ для аэропортов. Он также используется в ускорителях заряженных частиц и для обнаружения утечек трубопроводов.

К счастью, сейчас поставки гелия могут быть восполнены — крупнейшие поставщики этого газа находятся в Катаре (месторождение Рас-Лаффан), Алжире (Хасси-Рмель), России (Оренбургское и, в скором времени, Амурское месторождение).

Отжиг и вентили

Одна из самых известных компаний-разработчиков, без сомнения, D-Wave. Наверное, у большинства читателей при любом упоминании квантового компьютера возникают в памяти изображения футуристических шкафов с логотипом этой фирмы, часто появляющейся в новостях.

Канадский производитель обласкан вниманием журналистов, регулярно получает финансирование от спонсоров и, более того, успешно продает свои квантовые компьютеры, работающие на немыслимом количестве кубитов: нынешнее поколение вычислительных устройств от D-Wave использует 2048 кубитов, а скоро появятся компьютеры с 5000 кубитов.

Однако разработки этой фирмы, кроме хвалебных отзывов в прессе, встречают и немало критики. Часто говорят о том, что область применения квантовых компьютеров от D-Wave чрезвычайно узка: они предназначены только для работы с одним видом алгоритмов — со скоростным поиском и нахождением локального минимума.

Технология, с помощью которой работают компьютеры от D-Wave, называется «квантовый отжиг» (quantum annealing). Она создана при изучении кристаллизации материалов — например, металлов при отжиге, когда при постепенном остывании атомы вещества занимают пространственное положение с наименьшими затратами энергии. Вычисления, которые происходят в компьютерах D-Wave, похожи на подобные процессы, и поэтому они получили такое название — отжиг.

Разработчики других компаний и сообществ (по крайней мере, большая их часть) пытаются создать универсальные квантовые компьютеры, работающие в широком диапазоне алгоритмов. Для этого они используют более традиционную архитектуру — логические вентили (gates). Такие структуры реализуются при помощи связывания (запутывания) нескольких кубитов.

Критики квантовых компьютеров D-Wave говорят еще о следующем: решения, которые предлагает компания, могут быть реализованы при помощи обычных, стандартных компьютеров, и выигрыш квантовых вычислителей отнюдь не так очевиден в этом случае.

Тем не менее негативные отзывы не мешают компании D-Wave развивать направление квантового отжига, увеличивать мощность своих компьютеров и продавать их. Так, среди покупателей этих вычислительных устройств замечены такие гиганты, как Google, NASA, Lockheed Martin и национальная лаборатория Лос-Аламоса.

Прощай, биты — привет, кванты

Один из самых серьезных игроков на рынке квантовых вычислений — без сомнения, IBM. Эта компания, получившая известность как один из столпов традиционных компьютерных вычислений (современные компьютеры во многом до сих пор используют архитектуру, разработанную IBM), видимо, переориентировалась на квантовые компьютеры. Одна из примет этого процесса — продажа части «традиционного» бизнеса китайской компании Lenovo.

Совсем недавно компания представила публике свой первый коммерческий квантовый компьютер под названием IBM Q System One. Он работает на 20 кубитах, имеет мощную криогенную установку, оптимизирован для операций обслуживания и подключения к облаку, у него красивый технологичный футуристический дизайн, спроектированный ведущими ателье.

Google — другой технологический гигант, принимающий активное участие в гонке. В 2018 году им был представлен собственный квантовый процессор под названием Bristlecone, в котором работает массив из 72 кубитов.

Intel не желает отставать от ведущих разработчиков и наряду с производством традиционных компьютерных чипов выпустила тестовый квантовый чип на 49 кубитов под названием Tangle Lake.

Калифорнийская компания Rigetti — это производитель, сосредоточенный исключительно на квантовых компьютерах. Уже созданы процессоры, работающие с использованием 8 и 19 кубитов, а в ближайших планах — 128-кубитовое устройство. Компания предоставляет Quantum Cloud Services — платформу для гибридных облачных вычислений, квантовых и традиционных.

IonQ — эта компания строит квантовые компьютеры с использованием заряженных ионов в вакууме: лазерные лучи управляют ионами, которые удерживаются магнитными ловушками. На данный момент известно о создании устройства, использующего 11 кубитов в комплексных алгоритмах и 79 кубитов в схемах с одинарными логическими вентилями.

Это далеко не все производители и разработчики квантовых компьютеров, для полного перечня просто не хватит места. Тем более что существуют специальные ресурсы, исследующие именно эту тему.

Кроме компаний, непосредственно создающих «железо», есть немало групп разработчиков, занятых не менее важным делом — изысканиями в квантовой механике, алгоритмах, программном обеспечении, в поисках наиболее подходящих сфер применения для квантовых компьютеров, в создании технологических решений. Всё это сообщество бурно развивается и приближает «светлое квантовое будущее»... или конец света?

Выживет ли биткоин после квантового апокалипсиса?

Самый острый вопрос в контексте пересечения квантовых вычислений и блокчейн-технологий, несомненно, такой: «Как скоро рухнет биткоин после создания полноценного квантового вычислителя, взламывающего RSA как академик школьные уравнения?»

Ответ BNT: не надо волноваться — этого, скорее всего, никогда не случится. Во-первых, перед создателями квантовых компьютеров сейчас стоит огромный комплекс проблем, которые к тому же растут подобно лавине с добавлением каждого нового десятка кубитов в процессоры. Полноценного устройства с минимум 256 (столько кубитов нужно для быстрого взлома RSA) честными, управляемыми, стойкими к ошибкам и с допустимой декогеренцией кубитами пока не предвидится.

Если же все-таки такой компьютер появится, у системы биткоина есть средства борьбы с этой проблемой. Например, автоматическое увеличение сложности или внедрение более сложного алгоритма шифрования.

Можно предположить, что в любом случае, если вдруг сверхмощный квантовый компьютер окажется в руках злодея, который решит вскрывать существующие системы шифрования одну за другой, то надежность и безопасность биткоина отойдут на третий план — у всего человечества возникнут более глобальные и серьезные проблемы.

Иллюстрация: Engadget