Понимание основ квантовых вычислений

Автор: Бахмат М.

Пока квантовые вычисления не дают ощутимых преимуществ перед традиционными вычислениями ни в коммерческой, ни в научной среде. Но мы уже наблюдаем рост числа кубитов, появление первых серьезных квантовых проектов от технологических лидеров и приток инвестиций. По данным Fortune, объем мирового рынка квантовых вычислений за десять лет вырастет с $1,16 млрд до $12,62 млрд до 2034 года, то есть в течение десятилетнего периода будет ежегодно прирастать на 34,8%. В Boston Consulting Group отмечают, что последние 7-8 лет количество кубитов — а это ключевые показатели квантовой мощности — удваивается каждые год-полтора, и эта тенденция сохранится в ближайшем будущем. Кроме того, на фоне общего падения инвестиций в технологии именно квантовые вычисления демонстрируют стабильный рост и продолжают привлекать миллиарды долларов от венчурных инвесторов. 

Ниже мы рассмотрим основы квантовых вычислений, чтобы дать общее понимание об этой технологии, ее влияние на рынок вычислений и рассказать о практических возможностях применения. 

• Что такое квантовые вычисления? Объяснение ключевых концепций
• Рождение и эволюция квантовых технологий
• Преимущества и ограничения квантовых вычислений
  • Преимущества квантовых вычислений
  • Ограничения квантовых вычислений
• Ключевые игроки, движущие инновации в квантовых вычислениях
  • Google Quantum AI
  • Microsoft
  • IBM Quantum
  • Pasqal
• Обзор квантового аппаратного и программного обеспечения
• Потенциальные применения квантовых вычислений
• Текущее состояние квантовой индустрии и вызовы
• Основы квантовых вычислений: самое главное

Что такое квантовые вычисления? Объяснение ключевых концепций

Квантовые вычисления — это новая парадигма вычислений, использующая законы квантовой механики для моделирования и решения сложных проблем, которые слишком трудны для современных классических компьютеров. В отличие от классических компьютеров, использующих двоичные электрические сигналы, представляющие единицы или нули (биты), квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты.

Кубит — это квантовый аналог классического бита. Его особенность в том, что он может находиться не только в состоянии 0 или 1, но и в их комбинации. Для реализации кубитов применяют разные физические системы: сверхпроводниковые цепи, ионные ловушки, фотоны или нейтральные атомы.

В основе квантовых вычислений лежат такие принципы, как суперпозиция и запутанность:

Суперпозиция — это способность квантовой системы существовать одновременно в нескольких состояниях. Это значит, что кубит может быть и 0, и 1 одновременно с разной вероятностью. Благодаря этому квантовый компьютер способен обрабатывать множество вариантов решения параллельно, а не последовательно, как классический.

Запутанность — это квантовое явление, при котором состояние одного кубита напрямую связано с состоянием другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Запутанные кубиты работают согласованно, что позволяет увеличивать вычислительные мощности и решать задачи с высокой взаимозависимостью данных.

Чем больше кубитов у квантового компьютера, тем больше его потенциал для крупномасштабных вычислений при решении задач. Квантовые компьютеры предлагают принципиально иной подход к вычислениям, обрабатывая одновременно множество возможностей, что потенциально позволяет решать определенные проблемы экспоненциально (то есть во много крат) быстрее, чем классические компьютеры.

Квантовые вычисления и традиционные вычисления имеют несколько принципиальных отличий:

Квантовые вычисления	Классические вычисления
Вычисляют с помощью кубитов, которые могут представлять 0 и 1 одновременно	Вычисляют с помощью транзисторов, которые могут представлять либо 0, либо 1
Производительность растет экспоненциально пропорционально количеству кубитов	Производительность растет в соотношении 1:1 с количеством транзисторов
Квантовые компьютеры имеют высокий уровень ошибок и должны работать в условиях сверхнизких температур	Классические компьютеры имеют низкий уровень ошибок и могут работать при комнатной температуре
Лучше всего подходят для таких задач как оптимизация, анализ данных и моделирование	Большинство повседневных вычислений лучше выполняется классическими компьютерами

Рождение и эволюция квантовых технологий

Идея построить систему, способную использовать законы квантовой физики для решения сложнейших задач, возникла в 1980-х годах. Одним из первых шагов стало открытие квантовых алгоритмов, среди которых особое место занимает работа Питера Шора из MIT в 1990-х: его алгоритм показал, что квантовый компьютер теоретически способен взламывать современные криптографические системы, положив начало дискуссиям о «квантовом апокалипсисе» в сфере кибербезопасности.

С начала 2000-х годов развитие квантовых вычислений превратилось в стратегическое направление для ведущих корпораций и исследовательских центров. Появились первые прототипы квантовых процессоров на основе различных технологий: сверхпроводников, ионных ловушек, фотонов и нейтральных атомов. Это положило начало гонке между лидерами квантовых вычислений — Google, IBM, Microsoft, Intel, IonQ и другими компаниями, каждая из которых стремится создать устойчивую систему на сотни тысяч кубитов.

Сегодня мы находимся в фазе, которую эксперты называют «эра квантовой полезности». Это означает, что в ряде специализированных задач (например, моделирование молекул, оптимизация логистических процессов, квантовая криптография) квантовые алгоритмы начинают превосходить классические методы. Более того, исследователи активно изучают интеграцию квантового искусственного интеллекта (квантового ИИ), который может объединить возможности машинного обучения и квантовой физики для решения задач нового уровня сложности.

Таким образом, будущее квантовых вычислений связывают не только с ростом мощности квантовых машин, но и с их реальным применением в науке, промышленности и защите информации.

Преимущества и ограничения квантовых вычислений

Квантовые компьютеры — не просто более быстрые версии привычных нам вычислительных систем. Они работают на совершенно иных принципах, что дает им уникальные преимущества и в то же время накладывает определенные ограничения. 

Преимущества квантовых вычислений

Квантовые компьютеры способны в корне изменить подход к решению сложных задач благодаря ряду своих свойств.

• Высокая скорость вычислений. Квантовые системы способны обрабатывать огромное количество вариантов решений задачи одновременно, а это позволяет решать проблемы, которые ранее считались неразрешимыми.  Например, квантовый компьютер Sycamore от Google в свое время за считанные секунды справился с задачей, для которой суперкомпьютеру Frontier понадобилось бы 47 лет.
• Новый уровень анализа данных. Квантовые компьютеры способны выявлять неочевидные связи и закономерности в огромных массивах информации, будь то данные о поведении клиентов, медицинские исследования или логистика.
• Невероятная точность. Квантовые компьютеры обещают более точные расчеты, чем классические вычислительные системы, что критически важно, например, для финансового прогнозирования или научных исследований. А сочетание квантовых и классических методов уже сегодня позволяет получать прогнозы с более высокой точностью.
• Ускорение развития ИИ. Искусственный интеллект, в том числе большие языковые модели (LLM), нуждается в огромных объемах данных и больших вычислительных мощностях для обучения. Квантовые вычисления могут существенно сократить время и стоимость этого процесса. Они способны быстро создавать высококачественные синтетические данные и ускорять сложные расчеты, что позволит разрабатывать более совершенные и эффективные модели ИИ.

Ограничения квантовых вычислений

Несмотря на преимущества, квантовые компьютеры сталкиваются с серьезными трудностями, которые пока не позволяют им стать массовыми. 

• Сложность производства. До сих пор это сложнейший технологический процесс, который пока не налажен в промышленных масштабах. А для программирования нужны принципиально новые подходы и языки программирования.
• Квантовый шум. Так называют любые внешние возмущения — от колебаний температуры до вибраций и электромагнитных полей, которые могут разрушить хрупкое квантовое состояние кубитов. Даже незначительные помехи приводят к ошибкам в расчетах. Чтобы минимизировать шум, квантовые компьютеры хранят при специальных условиях: охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (−273.15°C), и помещают в специальные экранирующие установки. Создание такой среды делает квантовые компьютеры громоздкими и очень дорогими.

Эти факторы, наряду с высокой стоимостью, замедляют внедрение квантовых вычислений в повседневную жизнь. И хотя мы говорим о технологии будущего, ее широкое распространение напрямую зависит от того, насколько успешно ученые смогут справиться с этими двумя глобальными проблемами.

Ключевые игроки, движущие инновации в квантовых вычислениях

Мировой рынок квантовых технологий находится в активной фазе развития, и лидеры рынка уже демонстрируют конкретные достижения.

Google Quantum AI 

Здесь сосредоточились на создании квантовых систем для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. Два года назад компания представила свой новый процессор Willow на 105 кубитов и анонсировала план по созданию системы из миллиона кубитов к концу десятилетия. Сейчас в Google разрабатывают методы квантовой коррекции ошибок, которые должны обеспечить «полезное квантовое преимущество» в химии, материаловедении и машинном обучении.

Microsoft 

Компания делает ставку на фундаментально новую архитектуру — майорановские фермионы как основу для топологических кубитов. В прошлом году был представлен чип Majorana 1, использующий концепцию Topological Core, где информация хранится нелокально, что теоретически повышает устойчивость системы к шуму. Компания планирует создать миллион кубитов на компактной платформе, чтобы более эффективно использовать квантовые вычисления в криптографии, логистике и фармацевтике.

IBM Quantum 

Это подразделение движется по пути масштабирования уже проверенной технологии сверхпроводниковых кубитов. Ранее здесь представили квантовые процессоры Osprey (433 кубита) и Heron (133 кубита), которые значительно превосходят своих предшественников в количестве ошибок. В долгосрочной IBM планирует создать 100 000-кубитный квантовый суперкомпьютер в ближайшие десять лет и интегрировать его с классическими HPC-системами. А недавно IBM анонсировала облачный доступ к своим квантовым процессорам через платформу IBM Quantum Experience. Ожидается, что к 2029 года компания создаст систему, управляющую 100 млн вентилей на 200 логических кубитах.

Pasqal 

Французский стартап активно развивает технологию квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов. Эта архитектура считается более масштабируемой, чем сверхпроводниковые кубиты, и подходит для задач в моделировании физических процессов и оптимизации. Недавно компания привлекла $100 млн инвестиций, а позже объявила о планах объединить квантовые мощности в облаке для индустриальных клиентов.

Среди других заметных игроков на рынке квантовых вычислений: Intel, D-Wave Systems, IonQ, Rigetti Computing, Honeywell Quantum Solutions, PsiQuantum, Atom Computing, Xanadu и Infleqtion. По масштабам развития квантовых вычислений и инвестициям в них лидируют США и Китай — первый удерживает первую позицию по числу стартапов и объемам частных инвестиций, тогда как второй — по количеству патентов в этой сфере.

Обзор квантового аппаратного и программного обеспечения

Системы квантовых вычислений включают как специализированные аппаратные, так и программные компоненты. Что касается квантового аппаратного обеспечения, существуют различные технологии кубитов. Эти системы часто требуют криогенных сред с чрезвычайно низкими температурами и специализированного оборудования. Например, IBM разрабатывает 4K крио-CMOS контроллер кубитов для управления кубитами изнутри холодильника. Топологическая архитектура кубитов Microsoft включает алюминиевые нанопровода, соединенные в форме H, где каждая H содержит четыре контролируемых майораны и образует один кубит.

Программные инструменты и платформы являются ключевыми для взаимодействия с квантовым аппаратным обеспечением. Google предлагает документацию Cirq и инструменты с открытым кодом. IBM предоставляет Qiskit SDK для полезных квантовых вычислений и Qiskit Serverless для выполнения рабочих нагрузок на квантовых и классических ресурсах. Google Quantum AI также выделяет стандартные программные инструменты, такие как Stim и Crumble. 

Потенциальные сферы применения квантовых вычислений

Квантовые вычисления позволяют решать задачи, которые невозможно решить с помощью других технологий. О громких реальных кейсах мы услышим совсем скоро, а пока мы сформировали перечень направлений, где применение квантовых компьютеров может изменить ситуацию радикально. 

• Открытие лекарств и материаловедения. Квантовые модели позволяют точнее симулировать молекулы и ускорить поиск новых препаратов или материалов, особенно используя возможности квантовых кубитов.
• Финансовое моделирование и управление рисками. Квантовый компьютер может оптимизировать портфели, оценить риски и повысить эффективность операций.
• Оптимизация и цепочки поставок. Задачи с множеством переменных, например распределение ресурсов или логистика, могут быть решены быстрее благодаря квантовому ускорению — особенно с использованием гибридных алгоритмов
• Квантовый ИИ. Интеграция квантовых вычислений и ИИ открывает возможности для ускорения обучения нейросетей и улучшения обнаружения закономерностей в больших данных.
• Квантовая криптография и безопасность. Такие технологии, как квантовое распределение ключей, создают устойчивую защиту от угроз со стороны будущих квантовых компьютеров.
• Моделирование климата и прогнозы. Квантовые системы могут точнее моделировать динамические природные процессы, что особенно важно для климатических и метеорологических задач.
• Автомобильная отрасль и мобильность. Квантовые вычисления применяют в оптимизации трафика, проектировании батарей и автономных систем.

Первые результаты уже есть. Например, автоконцерн Honda совместно с компанией-разработчиком квантового ПО BlueQubit успешно классифицировали изображения дорог, достигнув очень высокой точности — до 94 %. Компания IBM продвигает платформу Quantum Safe для защиты данных от рисков, связанных с развитием квантовых технологий. А американская биотехнологическая компания Moderna совместно с IBM уже тестирует квантовые алгоритмы (VQA) для ускорения разработки mRNA-вакцин.

Текущее состояние квантовой индустрии и вызовы

Индустрия квантовых вычислений все еще находится на ранних стадиях зрелости, но быстро развивается. Хотя квантовые компьютеры появляются в новостях благодаря решению определенных проблем, текущее состояние квантовых вычислений показывает, что они еще не готовы к запуску крупномасштабных моделей ИИ или обработке огромных объемов данных, необходимых для многих алгоритмов машинного обучения/ИИ. Некоторые эксперты прогнозируют, что может потребоваться еще 15-20 лет, прежде чем квантовый искусственный интеллект станет массовым. Но у отрасли есть и другие вызовы. 

• Квантовая безопасность. Потенциал квантовых компьютеров взламывать существующее шифрование подчеркивает критическую необходимость перехода к стандартам квантово-устойчивой криптографии. Этот переход важен для сохранения целостности механизмов цифрового доверия. Эксперты ожидают, что полная интеграция квантово-безопасных стандартов займет 12 лет.
• Масштабирование кубитов и управление ошибками. Компании все еще работают над масштабированием количества физических кубитов и оптимизацией их взаимодействия. Основная задача — снизить уровень шума и чувствительности к теплу, чтобы перейти к более отказоустойчивым квантовым компьютерам.
• Стабильность и контроль аппаратного обеспечения. Все еще существует проблема точности его работы и потенциальной способности к масштабированию. Инженерам еще предстоит решить такие задачи, как точный контроль кубитов в больших масштабах и охлаждение миллионов кубитов одновременно. 
• Незрелость квантовых алгоритмов и квантового ПО. Большинство квантовых алгоритмов существуют только в теории, а не реализованы на квантовых компьютерах. Сегодняшние квантовые вычисления все еще полагаются на классические вычислительные сети и протоколы для функций и уменьшения ошибок. Сложность управления и количество областей, требующих решения для экономической жизнеспособности квантовых вычислений, все еще рассматриваются. 
• Дефицит талантов. На рынке сохраняется острая нехватка квалифицированных кадров и вряд ли в ближайшее время будет закрыта хотя бы половина вакансий в квантовой сфере. Поэтому так важно обеспечить возможно получить качественное образование в области квантовых вычислений. 

Несмотря на эти вызовы, квантовые технологии продолжают развиваться. Уже есть небольшие прорывы в смягчении и коррекции ошибок. А развитие квантовой экосистемы и появление новых вариантов использования вскоре может принести ощутимую ценность для самых разных отраслей экономики. Поэтому так важно инвестировать в квантовые технологии сегодня, чтобы оставаться на переднем крае инноваций.

Chief Operating Officer Colobridge, Андрей Михайленко: 

«Абсолютное большинство задач, даже требующих значительных вычислительных мощностей, все еще можно решить без квантовых технологий. Сегодня вы можете выбрать Colobridge в качестве технологичного партнера, у которого можно получить все необходимые облачные или инфраструктурные продукты, большой выбор aaS-решений, ИИ-инструменты для гиперперсонализации в рамках нашего дочернего проекта Beinf.ai плюс глубокую экспертизу, которая подкрепляется более чем 15-летним опытом».

Основы квантовых вычислений: самое главное

• Квантовые вычисления используют законы квантовой механики для решения задач, недоступных классическим компьютерам.
• Основной элемент — кубит, который может находиться одновременно в состояниях 0 и 1 благодаря суперпозиции.
• Запутанность позволяет кубитам работать согласованно, резко увеличивая вычислительные мощности.
• Производительность квантовых вычислений растет экспоненциально с числом кубитов.
• Технологии кубитов включают сверхпроводники, ионные ловушки, фотоны и нейтральные атомы.
• Главные различия с классическими системами: высокий уровень ошибок и необходимость экстремально низких температур.
• Квантовые компьютеры особенно перспективны для оптимизации, моделирования, анализа больших данных и квантового ИИ.
• Уже сейчас создаются прототипы с сотнями кубитов, и ожидается переход к миллионам кубитов в ближайшие десятилетия.
• Квантовые технологии могут дать быстрый прирост в скорости решения задач в науке, бизнесе и кибербезопасности.

Получите консультацию по выбору лучшего IT-решения для вашего бизнеса — напишите специалистам Colobridge, чтобы подготовить свою инфраструктуру к будущим вызовам, в том числе связанным с развитием квантовых вычислений.