Вы готовы к революции квантовых компьютеров?

О квантовых компьютерах (КК) говорят всё чаще. И, кажется, учёные как никогда близки к практическому применению своих научных разработок. А значит, возможно, скоро квантовые компьютеры станут реальностью. 

Сегодня мы публикуем статью Шохини Гхош — квантового физика и профессора физики и компьютерных наук в Университете Уилфрида Лорье. Она является президентом Канадской ассоциации физиков, старшим научным сотрудником TED и директором-основателем Центра Лорье для женщин в науке.

Вы готовы к революции квантовых компьютеров?

Квантовая физика уже изменила нашу жизнь. Благодаря изобретению лазера и транзистора — продуктов квантовой теории — почти каждое электронное устройство, которое мы используем сегодня, является примером квантовой физики в действии. Возможно, сейчас мы находимся на пороге второй квантовой революции, поскольку пытаемся использовать ещё больше возможностей квантового мира.

Квантовые вычисления и квантовая коммуникация могут повлиять на многие отрасли, включая здравоохранение, энергетику, финансы, безопасность и развлечения. Недавние исследования предсказывают многомиллиардную квантовую индустрию к 2030 году. Однако для достижения такого масштаба необходимо решить серьёзные практические проблемы.

Квантовые компьютеры vs классические

Мощная неопределённость

Хотя квантовой теории более ста лет, нынешняя квантовая революция основана на более позднем осознании того, что неопределённость — фундаментальное свойство квантовых частиц — может быть мощным ресурсом. На уровне отдельных квантовых частиц, таких как электроны или фотоны (частицы света), невозможно точно знать каждое свойство частицы в любой данный момент времени. 

Например, GPS в вашем автомобиле может сообщить вам ваше местоположение, скорость и направление одновременно и достаточно точно, чтобы доставить вас к месту назначения. Но квантовый GPS не мог бы одновременно и точно отображать все эти свойства электрона не из-за неправильной конструкции, а потому, что законы квантовой физики запрещают это. 

Язык вероятностей

В квантовом мире мы должны использовать язык вероятности, а не определённости. И в контексте вычислений, основанных на двоичных разрядах (битах) 0 и 1, это означает, что квантовые биты (кубиты) с некоторой вероятностью могут быть равными 1 и равными 0 одновременно.

Такая неточность поначалу приводит в замешательство. В наших повседневных классических компьютерах 0 и 1 ассоциируются с включением и выключением переключателей и электронных схем. Незнание того, включены они точно или выключены, бессмысленно с вычислительной точки зрения. На самом деле это привело бы к ошибкам в расчётах. 

Но революционная идея, лежащая в основе квантовой обработки информации, заключается в том, что квантовая неопределённость — нечёткая промежуточная «суперпозиция» 0 и 1 — на самом деле не ошибка, а особенность. Это предоставляет новые рычаги для более эффективных способов передачи и обработки данных.

Квантовая коммуникация и квантовые вычисления в действии

Взломать невозможно

Одним из следствий вероятностной природы квантовой теории является то, что квантовая информация не может быть точно скопирована. С точки зрения безопасности, это меняет правила игры. Хакеры, которые пытаются скопировать квантовые ключи, используемые для шифрования и передачи сообщений, потерпели бы неудачу. Даже если бы у них был доступ к квантовому компьютеру. 

Это принципиально не поддающееся взлому шифрование основано на законах физики, а не на сложных математических алгоритмах, используемых сегодня. В то время как методы математического шифрования уязвимы для взлома достаточно мощными компьютерами, для взлома квантового шифрования потребуется нарушение законов физики.

По другим законам

Точно так же, как квантовое шифрование принципиально отличается от современных методов шифрования, основанных на математической сложности, квантовые компьютеры принципиально отличаются от современных классических компьютеров. 

Эти два понятия так же различны, как автомобиль, лошадь и повозка. Автомобиль основан на использовании других законов физики по сравнению с лошадью и телегой. Это позволит вам быстрее добраться до места назначения и добраться до новых пунктов назначения, ранее недоступных. 

То же самое можно сказать и о квантовом компьютере по сравнению с классическим компьютером. Квантовый компьютер использует вероятностные законы квантовой физики для обработки данных и выполнения вычислений новым способом. Он может быстрее выполнять определённые вычислительные задачи, а также новые, ранее невозможные задачи, такие как, например, квантовая телепортация, когда информация, закодированная в квантовых частицах, исчезает в одном месте и точно (но не мгновенно) воссоздаётся в другом удаленном месте. Хотя это звучит как научная фантастика, эта новая форма передачи данных может стать жизненно важным компонентом будущего квантового Интернета.

Применение квантовых компьютеров

Особенно важными способами применения квантовых компьютеров могут быть моделирование и анализ молекул для разработки лекарств и дизайна материалов. Квантовый компьютер уникально подходит для таких задач, потому что он будет работать по тем же законам квантовой физики, что и молекулы, которые он моделирует. 

Использование квантового устройства для моделирования квантовой химии может быть гораздо более эффективным, чем использование самых быстрых классических суперкомпьютеров сегодня.

Квантовые компьютеры также идеально подходят для решения сложных задач по оптимизации и выполнению быстрого поиска несортированных данных. Это может быть актуально для многих приложений, от сортировки климатических данных, медицинских или финансовых данных до оптимизации логистики цепочки поставок, управления персоналом или транспортными потоками.

Подготовка к квантовому будущему

Квантовая гонка уже началась. Правительства и частные инвесторы по всему миру вкладывают миллиарды долларов в квантовые исследования и разработки. 

Было продемонстрировано распределение квантовых ключей для шифрования на основе спутников, что заложило основу для потенциальной глобальной сети, основанной на квантовой безопасности. IBM, Google, Microsoft, Amazon и другие компании вкладывают значительные средства в разработку крупномасштабного оборудования и программного обеспечения для квантовых вычислений. 

Проблема хрупких кубитов

Сегодня пока никто не достиг успеха. Да, небольшие квантовые компьютеры работают сегодня. Однако основным препятствием для широкого применения технологии является проблема устранения ошибок. По сравнению с битами, кубиты невероятно хрупки. Даже малейшего возмущения из внешнего мира достаточно, чтобы уничтожить квантовую информацию. 

Вот почему большинство современных машин должны быть тщательно экранированы в изолированных средах, работающих при температурах, намного более низких, чем в открытом космосе. Несмотря на то, что теоретическая основа для квантовой коррекции ошибок была разработана, ее реализация энергоэффективным и ресурсосберегающим способом создаёт значительные инженерные проблемы.

Учитывая текущее состояние этой области, неясно, когда и будет ли доступна вся мощь квантовых вычислений. Тем не менее, бизнес-лидерам следует рассмотреть возможность разработки стратегий для решения трёх основных задач:

Планирование квантовой безопасности

Современные протоколы шифрования данных уязвимы не только для будущих квантовых компьютеров, но и для всё более мощных классических компьютеров. Новые стандарты шифрования (будь то классические или квантовые) неизбежны. Переход на архитектуру с квантовой безопасностью и вспомогательную инфраструктуру для обеспечения безопасности данных потребует планирования, ресурсов и опыта в области квантовой безопасности. Даже если квантовые компьютеры появятся через десять лет, ждать до тех пор, пока они адаптируются, будет слишком поздно. Сейчас самое время начать этот процесс.

Определение вариантов использования

Никто не мог предсказать множество способов, которыми классические компьютеры влияют на каждый аспект нашей жизни. Предсказание квантовых приложений не менее сложно. Вот почему, чтобы в полной мере использовать потенциал квантовых вычислений, бизнес-лидеры и эксперты в различных секторах, таких как здравоохранение, финансы или энергетика, должны связаться с квантовыми исследователями и инженерами по оборудованию / программному обеспечению. 

Это будет способствовать разработке отраслевых квантовых решений, адаптированных для доступных в настоящее время квантовых технологий или для будущих масштабируемых квантовых вычислений. Междисциплинарный опыт и обучение будут иметь решающее значение для создания и развития Quantum App Store.

Вопросы ответственности

Кто будет разрабатывать квантовые технологии и иметь к ним доступ, и как пользователи будут взаимодействовать с ними? Влияние искусственного интеллекта и блокчейна продемонстрировало необходимость учёта социальных, этических и экологических последствий новых технологий. 

Мы наблюдаем первые дни существования квантовой индустрии. Это даёт редкую возможность внедрить инклюзивные практики с самого начала и создать ответственную и устойчивую дорожную карту для квантовых вычислений.

Быстрый рост сектора квантовых технологий за последние пять лет был захватывающим. Но будущее остаётся непредсказуемым. К счастью, квантовая теория говорит нам, что непредсказуемость не обязательно является плохой вещью. 

Важно также надёжно сохранить данные. Как это делается, вы можете прочитать в статье «Самые надежные ЦОД в мире»

Фактически два кубита могут быть заблокированы вместе таким образом, что по отдельности они остаются неопределёнными, но совместно они идеально синхронизированы — либо оба кубита равны 0, либо оба равны 1. Это сочетание совместной уверенности и индивидуальной непредсказуемости — явление, называемое запутанностью, — является мощным топливом, которое управляет многими алгоритмами квантовых вычислений. 

Возможно, в этом также содержится урок о том, как построить квантовую индустрию. Ответственно планируя, в то же время принимая во внимание неопределенность будущего, предприятия могут повысить свои шансы быть готовыми к квантовому будущему.