27 мая 2024 г.
Глобальные инвестиции в технологии квантовых вычислений (Quantum Computing — QC) достигли нового максимума — 2,35 млрд долл., приводит данные Positive Technologies в своем исследовании со ссылкой на данные отчета McKinsey & Company за 2023 год. В российских условиях к направлению QC тоже повышенный интерес: их внесли в перечень ключевых технологий, развитие которых курируют на государственном уровне.
Про ИИ и QC
Направление квантовых вычислений развивается быстро, на него, как и на Искусственный интеллект, возлагают большие надежды. Оба направления — и QC, и ИИ — способны привести к революционным изменениям, которые затронут ряд направлений современного ИТ-рынка. В этих направлениях есть общие элементы, определяющие развитие данных трендов, а также проблемы их внедрения.
Новая математика требуется и для ИИ, и для QC: обучение нейросетей и организация квантовых вычисления существенно отличаются от традиционных алгоритмов. Для обоих направлений нужна новая аппаратная составляющая; только для ИИ уже существует аппаратная основа, а для QC она находится в стадии разработки. Новую математику можно применять на виртуальных вычислительных ресурсах, базирующихся на традиционных компьютерах, от этого может быть получен даже некоторый положительный эффект, но относительно небольшой.
Важно, что квантовые вычисления, как и ИИ очень хороши и актуальны для применения в нишевых задачах, но они не универсальны и не являются альтернативой традиционному компьютингу, хотя последний прекрасно дополняют.
«Квантовые вычисления могут дать бизнесу принципиально новые возможности при решении сложных задач из области оптимизации, моделирования и обработки данных», — говорит Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.
Кратко об истории вопроса QC
Идею использования квантовых систем для вычислений предложили давно, еще до начала эры персональных компьютеров. Пионером идеи QC считают Ричарда Фейнмана, нобелевского лауреата и одного из разработчиков атомной бомбы, который отметил, что традиционные вычислительные решения не очень хорошо подходят для расчетов квантовых систем. Заметим, что на стадии идеи уже предполагали, что квантовый компьютер не будет являться универсальным вычислительным устройством, но будет хорошо справляться с отдельными задачами, связанными с моделированием систем и прочими нишевыми задачами. Так и получилось, в чем убедились уже в новом веке, когда создали первые квантовые вычислительные системы.
Квантовые компьютеры работают с «кубитами» («квантовыми битами»), которые построены на действительно квантовых объектах: атомах, молекулах, фотонах и пр. Первые аппаратные реализации кубитов были продемонстрированы в 1997 году, но компьютеры на них стали строить несколько позже, уже в новом веке.
С одной стороны, кубиты похожи на биты в традиционных вычислениях, с другой — радикально от них отличаются, являясь квантовыми объектами, причем принципиально более сложными, чем биты. Особенности кубитов определяют две ключевые особенности квантовых компьютеров: высокую сложность создания таких систем и вероятностные результаты реализованных на них вычислений.
Квантовые компьютеры — системы для решения нишевых задач
В ряде случаев решение задач на квантовом компьютере можно произвести на порядки быстрее, чем при использовании традиционных компьютерных систем, даже обладающих производительностью уровня суперкомпьютеров. Две фундаментальные особенности квантовых систем — квантовая суперпозиция и квантовая запутанность — при правильном применении обеспечивают огромный прирост скорости вычислений.
«Квантовое превосходство» — возможность решать с использованием QC задачи, которые не могут быть решены традиционными методами, даже с использованием мощностей суперкомпьютеров. Экспериментальные квантовые компьютеры уже демонстрируют впечатляющие результаты. Например, в апреле прошлого года корпорация Google сообщила о получении решения некой неназванной задачи в ходе вычислений на Sycamore, квантовым компьютером корпорации из 70 кубитов, которая методами традиционных вычислений могла была быть решена только за 47 лет, сообщает Bloomberg.
Однако квантовые вычислители не являются заменой классическим! Результаты квантовых вычислений построены на вероятности, что делает рассматриваемый класс устройств совершенно неподходящими для большинства существующих вычислительных задач. Лишь в некоторых узких областях вычислений — которые, как и было предсказано на этапе выдвижения идеи квантового компьютинга, связаны с моделированием — квантовые компьютеры показывают высочайшую эффективность.
Вычисления, для которых хорошо подходят квантовые компьютеры, нужны в широчайшем спектре практических задач «на оптимизацию». Их решение будет очень актуально для современного бизнеса из различных областей — от финтеха до логистики, от инженерного проектирования до создания новых соединений.
В качестве прикладных областей уже сейчас квантовыми вычислениями в российских условиях интересуется финтех, например, для повышения точности скоринга, отмечает Антон Гугля, генеральный директор QApp. Также QC нужны для предприятий в области нефтегаза-нефтехимии (например, для гидродинамического моделирования), свои задачи есть у традиционной медицины, у работающих над вопросами генетики и т. д., перечисляет г-н Гугля.
Однако результаты квантовых вычислений нужно проверять на достоверность, считает Дмитрий Чернышенцев, руководитель группы «Квантовые технологии» в госкорпорации Росатом, а это задачи сложные, местами математические, местами эвристические.
Как выглядит сегмент QC сейчас
Квантовые компьютеры еще не представлены на рынке в качестве товара. Работающие системы уже есть, причем их достаточно много, но современное состояние технологии позволяет использовать их лишь в лабораторных условиях. Причина проста: каждая такая система для QC пока может устойчиво работать только при наличии команды профильных специалистов. Этого вполне достаточно для отработки технологий, развертывания пилотных проектов и т. д.
Имеющиеся квантовые компьютеры пока представляют собой небольшие системы. Аналитики предполагают, что для коммерческого использования будут актуальны квантовые компьютеры, состоящие более чем из тысячи кубитов. Некоторые экспериментальные системы перешагнули этот рубеж в конце прошлого года. Однако большинство имеющихся в лабораториях квантовых компьютеров состоят из нескольких десятков кубитов, но и они уже показывают практическую эффективность.
Исследователи и инженеры активно работают над совершенствованием квантовых компьютеров. Основных направлений совершенствования два.
Во-первых, нужен рост стабильности кубитов. Как и любая другая квантовая система, кубит является нестабильным, то есть самопроизвольно может поменять заданное состояние. Чтобы продлить время жизни кубита, то есть период, в течение которого элемент может стабильно хранить внесенные данные, применяют различные сложные системы, в частности, охлаждающие квантовые компьютеры жидким гелием.
Во-вторых, актуально увеличение количества кубитов в квантовых компьютерах. Механическое наращивание количества кубитов сталкивается с проблемой их взаимного нагрева, решение которой представляет сложную техническую задачу, которая находится в стадии решения.
Как видно, вопросы создания квантовых компьютеров находятся на стыке фундаментальной и прикладной науки, а также требуют мощного инжиниринга. Прогресс в этом направлении идет, но, учитывая сложность задач, быстрым он быть не может.
Вместо заключения
«Как только появится действительно мощный квантовый компьютер, который позволит решать недоступные сейчас математические задачи, гонка между технологическими гигантами перейдет на новый уровень», — говорит Екатерина Снегирева, старший аналитик исследовательской группы Positive Technologies.
Направление QC новое, далеко не все корпорации — даже крупные — могут самостоятельно определить направления, в которых квантовые вычисления могут дать быстрый и выразительный эффект. Поэтому сейчас остро востребован квантовый консалтинг, считает г-н Чернышенцев.
Однако, по мнению аналитиков Gartner, интерес к квантовым вычислениям в настоящее время существенно «перегрет». Это может привести к потенциальным проблемам по той же схеме, что и в сегменте Искусственного интеллекта, о чем мы недавно писали. Кроме того, направление QC — как в плане создания квантовых компьютеров, так и их практического применения — является наукоемким направлением, причем очень дорогим и совсем не быстрым.
Окончание следует
Источник: Александр Маляревский, внештатный обозреватель IT Channel News
