Квантовый компьютер: кому светит аналого-цифровая люстра?

С квантовыми компьютерами уже не первый год связывают множество надежд и в то же время опасений. По мнению оптимистов, они дадут новый рывок в сфере вычислительных технологий и смогут решать сложнейшие задачи, с которыми не справляются самые мощные из ныне существующих машин. Пессимисты же считают, что рядовым пользователям все эти кубиты в «люстрах» не принесут ничего, кроме новых вызовов в области криптографии и защиты персональных данных. О том, как устроены уже существующие к началу 2024 года квантовые компьютеры и насколько оправданы страхи перед ними, для читателей ForkLog рассказывает Сергей Голубенко. 

В 1965 году американский инженер Гордон Мур вывел закономерность: количество транзисторов на микросхемах удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение со временем подтвердилось — мощность вычислительных устройств до сих пор стабильно растет по экспоненте:

Однако в 2007 году сам Мур предположил, что обнаруженная им закономерность скоро перестанет работать — таковы законы физики. Наиболее перспективным выходом из этого тупика уже не первый год называю квантовые вычислительные системы (КВС), о которых мы сегодня расскажем.  

Их важнейшее отличие от обычных компьютеров заключается в способе хранения и обработки информации. Традиционные машины, построенные на основе кремниевых микросхем, содержат миллионы транзисторов. Выполняя роль миниатюрных «рубильников», каждый из них может находиться либо в положении «включен» («1»), либо «выключен» («0»). Впоследствии компьютер хранит и обрабатывает данные, используя двоичную систему (код) и оперируя битами данных. 

КВС оперируют кубитами (квантовыми битами) и могут быть построены разными способами — через сверхпроводящие электрические цепи или за счет отдельных ионов, захваченными магнитными ловушками. 

Для понимания этого процесса нужно выйти за рамки привычного восприятия мира и перенестись в сферу квантового пространства, где больший потенциал имеют кубиты, обладающие способностью пребывать одновременно в нескольких состояниях. Это явление в называется суперпозицией. Квантовое состояние позволяет кубиту принимать значение не только единицы или нуля, но и любого между ними, а также оба значения одновременно — совсем как в мысленном эксперименте «Кот Шредингера». 

И самое интересное: приключения вероятностей значений моментально прекращаются, как только вмешивается наблюдатель, которому нужен только результат «да» или «нет». Этот исследователь, оператор квантового компьютера, с помощью специального алгоритма получает лишь ответ «1» или «0». Пребывание кубита в суперпозиции позволяет КВС параллельно обрабатывать значительно больший объем данных, чем классический компьютер.

Создать один кубит и управлять им — лишь часть задачи. Помимо суперпозиции, кубиты также испытывают «квантовую запутанность» — еще одно ключевое квантовомеханическое свойство, при котором состояние одного кубита может зависеть от другого. Проще говоря, если «запутать» два кубита и отправить один из них, например, на расстояние в несколько десятков километров, используя оптоволокно, то они сохранят связь и будут знать друг о друге все. Это открывает немыслимые возможности в транспортировке информации на основе квантового шифрования. Но у этой технологии есть слабые места: частицы имеют обыкновение теряться по дороге, и поэтому не все из них приходят к финишу.

Частицы, выступающие в роли кубитов, крайне восприимчивы к случайным возбуждениям — малейшим тепловым эффектам или электромагнитному полю соседнего объекта. Из-за этого квантовый компьютер выдает правильный ответ пока лишь с вероятностью 98-99%. Для поддержания стабильной работы каждую пару кубитов помещают в холодный вакуум, где кроме них нет больше ничего. Возникают вопросы: как организовать хранение кубита и какие частички могут выступать в его роли?

Рассмотрим на примере компьютера, который использует в качестве кубитов частицы ионов, наделенные квантовой природой. Задача: придать подходящей природной частице (в нашем случае иону) значение «1» или «0», которое он принимает соответственно севернее или южнее от экватора сферы Блоха. Это позволяет создать «краны», которыми можно управлять (менять значение вероятностей внутри частицы), используя низкоуровневое программирование. А для захвата такой пары ионов и их удержания в тесной запутанности существует специальная ловушка из электромагнитных полей. В результате имеем запутанную пару ионов, которой можно управлять, поместив в холодный вакуум. 

В квантовых вычислениях используют следующие технологии:

• сверхпроводящие кубиты (или токи на кристаллах);
• фотонные кубиты — генерация при помощи оптического оборудования запутанных квантов света и управления ими до нескольких часов при комнатной температуре;
• ионные кубиты в магнитных ловушках — цепочка заряженных ядер ионов, которые удерживаются с помощью электромагнитных полей в холодном вакууме;
• твердотельные квантовые точки на полупроводниках, управляемые электромагнитным полем или лазерными импульсами;
• квазичастицы в топологических квантовых компьютерах — коллективные состояния кластеров электронов, «замороженных» фотонов или фермионов Майораны, которые ведут себя как частицы внутри полупроводников или сверхпроводников.

Далее следует разобраться в принципах работы квантовых компьютеров и показать их отличие от классических.

Квантовый компьютер — это объединенная аналого-цифровая система, которая работает по принципу «множества значений вероятностей» и позволяет посредством заданного алгоритма получить выборку из конечных реализаций этого алгоритма. Классический же компьютер — это цифровая машина, обрабатывающая информацию в дискретной форме как строку из единиц и нулей.

Здесь возникает еще один закономерный вопрос: как полученные аналоговые данные перевести в привычную цифровую форму? Используя системы преобразования сигнала, ученые произвели низкоуровневое программирование частиц. И в этой области теперь кипит серьезная работа: надо сделать так, чтобы программист писал высокоуровневый код, не имея дополнительных углубленных знаний в физике и химии.

Еще одна актуальная проблема заключается в том, что квантовые компьютеры на данном этапе имеют массивную конструкцию и могут размещаться только в больших помещениях. Форма «люстры», которую для этих целей используют в сверхпроводниковых технологиях IBM и Google, считается самой удобной. Эта конструкция состоит из множества медных проводов, которые объединяют все части компьютера: усилители сигнала кубитов, сверхпроводящие катушки, квантовый процессор, различные средства защиты от радиации и электромагнитных волн. Причем все это в условиях вакуума. Если лаборатория использует другие технологии кубитов, формы конструкций таких компьютеров могут сильно отличаться и даже напоминать классический серверный блок.

Особые свойства кубитов (сверхпроводимость, сверхтекучесть и т. д.) начинают проявляться только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Для охлаждения квантового процессора приходится использовать установки с гелием или азотом.  

Насколько же оправданы такие хлопоты? 

Если провести сравнение потенциальных вычислительных мощностей, то в классическом компьютере они напрямую связаны с количеством битов: добавление одного транзистора увеличивает память на 1 бит). В квантовом же добавление одного кубита увеличивает память сразу в два раза. Как мы уже говорили, 1 кубит имеет всего два состояния («0» или «1»), а благодаря запутанности 10 кубитов имеют уже 1024 состояния; ну а сотня кубитов обладает 2 в 100 степени состояний. 

Очевидно, тут есть за что бороться. Но основная задача — сохранить надлежащий уровень качества запутанности новых пар кубитов, так как простой рост их числа не приведет к повышению производительности компьютера и не даст «квантового превосходства».

Техгиганты и стартапы: квантовые компьютеры сегодня

В настоящее время наибольших успехов в области создания КВС достигли следующие корпорации, государственные исследовательские центры и молодые независимые проекты. 

IBM

Парк квантовых компьютеров этой корпорации уже насчитывает более 20 машин, доступ к которым организован через облачный сервис IBM Quantum Experience. В декабре 2023 года на Quantum Summit представили первый модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two. Он базируется на 133-кубитном процессоре Heron, который представители компании называют самым производительным в мире. IBM также анонсировала процессор Condor с 1121 кубитом и на 50% большей плотностью их размещения.

Google

В 2019 году сотрудники техгиганта заявили о достижении квантового превосходства благодаря 53-кубитному компьютеру Sycamore на сверхпроводниках (правда, достижение было оспорено IBM). Тест, по мнению критиков, был скорее «показательным выступлением» в рамках квантовой гонки. С тех пор исследователи смогли добавить к показателям Sycamore еще 17 кубитов. Теперь он выполняет за несколько секунд вычисления, на повторение которых современный суперкомпьютер потратил бы 47 лет. 

В Google, как и в IBM, пошли проверенным путем использования классических микросхем, внедряя кубиты через сверхпроводники.

Xanadu

Эта канадская компания весной 2022 года объявила о запуске новейшего квантового компьютера Borealis, развернув его в облаке и предоставив общий доступ. Этот компьютер оснащен 216 фотонными кубитами. Как пишет Nature, система успешно преодолела барьер квантового превосходства, заложенный алгоритмом. И если самому мощному современному суперкомпьютеру на выполнение этой операции потребовалось бы приблизительно 9000 лет, Borealis справился всего за 36 микросекунд.

Atom Computing

Эта компания из Калифорнии создала первый в мире квантовый компьютер с 1180 кубитами, используя нейтральные атомы, захваченные лазерами в двухмерную сетку. Как результат, в компьютере Atom Computing квантовые биты способны работать без ошибок почти минуту, в то время как аналогичный показатель в компьютере от IBM составлял лишь 70–80 микросекунд.

Научно-технический университет Китая

В декабре декабря 2020 года китайские ученые сообщили, что их компьютер Jiuzhang, работающий на запутанных фотонах, достиг квантового превосходства. За 200 секунд они успешно провели вычисления, которые самый быстрый в мире цифровой компьютер выполнил бы лишь за полмиллиарда лет.

Квантовые вычисления и криптовалюты

Существует мнение, что квантовые компьютеры в ближайшем будущем смогут взламывать блокчейны и, например, уничтожить биткоин. Эти тревоги небезосновательны, но важно помнить о двух нюансах.

Во-первых, угроза больше относится к PoW-блокчейнам, где под угрозу попадает дешифровка добытого хеша. Во-вторых, шифрование RSA (самая распространенная альтернатива криптографии эллиптических кривых) может оказаться более квантово-устойчивым. Хотя, когда речь идет о традиционном дешифровании, принято считать наоборот.

Если рассуждать глобально, многое будет зависеть от того, насколько быстро криптографы в ответ на потенциальные вызовы решат проблему защиты от квантового взлома.  

В криптосфере уже есть примеры компаний, которые заявили о своей полной квантовой устойчивости: Quantum Resistant Ledger со своей криптовалютой QRL, а также технология распределения ключей QKD от JPMorgan — для защиты блокчейна от квантовых вычислений. Для реализации квантовой устойчивости QRL использует IETF XMSS — схему прямой безопасной подписи на основе хеша с минимальными предположениями о безопасности, где XMSS — расширенная схема подписи Меркла. 

Движение в сторону модульных блокчейнов тоже кажется позитивным. Благодаря своей структуре они сопутствуют более простому внедрению квантовых подписей и в будущем  решат проблему распределения операторов нод для усиления децентрализации и защиты распределенных реестров. 

Резюмируя, можно сказать, что объединение усилий блокчейна и квантовых вычислений поможет создать более безопасные и потенциально революционные вычислительные решения, которые в конечном итоге позволят решить целый ряд криптографических и жизненных проблем. 

Увидим ли мы квантовый хардфорк биткоина или мировой квантовый интернет — думаем, вопрос времени.