Колонки

Пора задуматься об инвестировании в квантовые технологии — какие у них перспективы?

Колонки
Наташа Ангашанова
Наташа Ангашанова

Журналист 99brands

Полина Константинова

Что вы слышали о квантовых технологиях? Если затрудняетесь с ответом, то вам точно стоит прочитать эту колонку. Наташа Ангашанова, журналист 99brands, собрала комментарии экспертов и рассказала простым языком, что это такое и почему за этой технологией будущее.

Пора задуматься об инвестировании в квантовые технологии — какие у них перспективы?

Слушать эту статью:

Аудио обработано сервисом БелаяТрость.рф.


Что такое квантовые вычисления?

Один из интереснейших и наиболее перспективных разделов современной науки — квантовые вычисления. В их основе лежат не классические алгоритмы, а процессы квантовой физики. 

Классические компьютеры оперируют битами — работают с использованием двоичной системы счисления. Бит может находиться только в одном состоянии — 0 или 1 (true или false, positive или negative). В основе же квантовой вычислительной модели лежит понятие кубита, или квантового бита (от англ. quantum bit, q-bit).

Квантовые биты до измерения способны быть и 0, и 1 одновременно с различными «весами», представляя диапазон значений, — это явление носит название принципа суперпозиции. Именно в таком состоянии находится знаменитый кот Шредингера, который в эксперименте одновременно и жив, и мертв, пока не проведено наблюдение. Измерение кубита также мгновенно «схлопывает» его состояние в одно из базисных — 0 или 1.

Использующие кубиты квантовые компьютеры теоретически могут одновременно оперировать экспоненциально большим числом состояний и справляться с такими задачами, на которые современному цифровому компьютеру понадобятся тысячи или даже миллионы лет.

Немного истории: через неопределенность к звездам

«Любой, кто говорит, что понимает квантовую механику, и у него от нее не кружится голова, на самом деле не понял ее», — говорил физик Нильс Бор. Квантовая механика возникла в начале XX века и окончательно сформировалась в 1930-х годах.

На ранних этапах становления нового раздела физики первопроходцам приходилось серьезно отстаивать свою точку зрения. В числе противников был Альберт Эйнштейн, который никак не мог принять идеи квантовой механики, в частности, принцип неопределенности Гейзенберга.

Этот принцип физик Вернер Гейзенберг вывел в 1927 году. Согласно нему, невозможно знать точную скорость и точное положение электрона в один и тот же момент. Также нельзя точно определить и его энергию в заданный промежуток времени.

На квантовом уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в нескольких местах.

В сущности, Гейзенберг заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность, и Эйнштейн с этим категорически не соглашался. Его спор с «квантовым адептом» Нильсом Бором вошел в историю науки: Эйнштейн и его сторонники стояли на том, что реальность определенна, а несовершенны лишь наши методы и инструменты наблюдения.

Приверженцы квантовой механики отвечали на это, что модели могут быть какими угодно, но сама реальность в основе нашего мира никогда не определена до конца.

В итоге Бор и его последователи одержали победу. Все эксперименты, наблюдения и рассчеты показывают, что принцип неопределенности и другие положения квантовой механики верны. Именно благодаря этим теоретическим изысканиям человеку стали доступны такие технологии, как полупроводниковая электроника, лазеры, атомная энергетика.

Актуальность квантового компьютера: «квантовая гонка» 

В ежегодном отчете аналитической компании Gartner «Цикл зрелости технологий» (Hype Cycle for Emerging Technologies) квантовые компьютеры — один из основных трендов 2019 года наряду с искусственным интеллектом и блокчейном. 

По версии Gartner, технологии проходят несколько циклов зрелости — триггер, пик чрезмерных ожиданий, разочарование, работа над ошибками, плато продуктивности. Согласно графику за 2018 год, плодотворная работа с квантовыми вычислительными системами начнется через 5-10 лет, а это значит, что стартаперам и инвесторам стоит быть наготове, чтобы не упустить момент, когда вкладываться в квантовые технологии будет поздно.

«Квантовым превосходством» называется способность квантового компьютера превзойти классический компьютер. Современный уровень развития технологий лишь приближается к тому, чтобы вплотную работать с квантовыми вычислениями.

Несколько лет назад о намерении построить работающие прототипы квантовых компьютеров заявила не только давно изучавшая эту сферу компания IBM, но и Google, Intel и Microsoft.

При этом канадская компания D-Wave с 2011 года уже выпускает и продает так называемые адиабатические компьютеры — сегодня компания предлагает уже 2000-кубитные компьютеры, а через два года обещает 20 тысяч кубит.

В прикладном смысле отличие адиабатических квантовых вычислительных систем от универсальных заключается в том, что компьютеры D-Wave способны решать только очень узкий круг задач, связанных с оптимизацией. Некоторые эксперты и вовсе сомневаются в том, можно ли назвать эти устройства квантовыми компьютерами, предпочитая термин «симуляторы».

Успехи IBM и Google в разработке универсальных или «настоящих» квантовых компьютеров, на первый взгляд, скромны: их мощность достигает 56-72 кубита. Однако такие компьютеры потенциально смогут решать широчайший круг задач.

Важно также понимать, что в квантовой физике все не так просто и количество кубитов только на первый взгляд кажется адекватным критерием успеха.

Количество кубитов — лишь одна из трех «осей», на которых строится мощность квантового компьютера. Вторая — когерентность, способность кубитов находиться в состоянии суперпозиции. Этой способностью определяется время, в течение которого машина может работать: чем дольше время когерентности, тем больше вычислений компьютер способен провести.

Наконец, третья «ось» — это степень программируемости, она описывает, сколько задач разного типа с помощью квантового компьютера можно решать.

Вокруг квантовых вычислений сейчас очень много ажиотажа и спекуляций, и неподготовленному специалисту очень сложно отличить твердо установленные и воспроизводимые научные факты от гипотез и рекламных заявлений.


На данный момент нет заслуживающих доверия подтверждений наличия у кого-либо реально работающих 50-кубитных квантовых компьютеров и, на мой взгляд, в ближайшем будущем можно реально ожидать появления как максимум 30-кубитных компьютеров.

Юрий Ожигов, преподаватель кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики СМК МГУ

Проблема реализации «настоящего» квантового компьютера связана с физическими и технологическими трудностями. Первые квантовые компьютеры напоминают старые громоздкие вычислительные системы. Размеры самого квантового чипа достаточно небольшие, однако для функционирования компьютера и устранения внешних воздействий необходима целая экосистема. 

Кубиты очень хрупкие объекты, и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. Тепловые явления или сторонняя молекула могут легко нарушить суперпозицию — нарушится когерентность.

Для эффективной работы установка должна быть сильно охлаждена — это условие возникновения сверхпроводимости. К примеру, в образцах квантовых систем от IBM температура чипа составляет всего 4К (-269ºC), что холоднее, чем в открытом космосе, и близко к абсолютному нулю (-273ºC).

Многие ведущие ученые уверены, что квантовый компьютер принципиально реализуем, а проблемы в основном носят инженерный характер. Эта уверенность опирается на хорошее экспериментальное подтверждение положений квантовой теории, которая вот уже 80 лет выдерживает экспериментальную проверку.

Владимир Гусаков, IT-предприниматель, автор ряда патентов в области искусственного интеллекта, основатель Smartcat и Ornaments.io

Квантовая криптография: мифы и риски

В 1994 году американец Питер Шор разработал квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), названный потом его именем. Вычислительная сложность факторизации больших чисел лежит в основе всей современной криптографии.

К примеру, на ней основан главный современный алгоритм шифрования RSA. Классическим компьютерам факторизацию приходится делать методом перебора. Потребовалось почти два года, чтобы сотни компьютеров, работающие одновременно, смогли расшифровать одно сообщение, зашифрованное с использованием алгоритма RSA-768, который имел два основных фактора и требовал ключ длиной семьсот шестьдесят восемь бит.

Но если будет разработан эффективный квантовый компьютер, способный использовать масштабированный алгоритм Шора, зашифрованные этим алгоритмом сообщения можно будет взламывать очень быстро.

Однако эксперты считают, что альтернатив у RSA уже сейчас довольно много. Так что если его можно будет быстро взламывать, то его заменит другой протокол шифрования. Вероятно, он будет более громоздким и потребует больших инвестиций для перевода оборудования на новый стандарт. Но конец RSA не будет означать, что информация вдруг станет некодируемой и криптография полностью потеряет свой смысл.

К тому же квантовые технологии дают возможность создать новые методы кибербезопасности, благодаря которым будет возможен сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях. 

В квантовом мире существует явление под названием «квантовая запутанность», в которой две или более частицы загадочным образом становятся взаимосвязанными, независимо от среды, которая существует между ними. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». 

Сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Китайским ученым уже удалось успешно ввести в эксплуатацию «квантовый» орбитальный спутник Мо-Цзы. Одной из его задач является осуществление квантовой передачи информации и установка защищенного канала связи между Пекином и Веной, полностью неуязвимого для хакеров.

Квантовое моделирование: перспективы

Молекулярное моделирование

Окружающий мир таит в себе множество квантовых секретов, потому что химические реакции образуют состояния суперпозиции и являются квантовыми по своей природе. Поэтому в то время как современные классические компьютеры не в состоянии делать расчеты в этой области, для квантовых компьютеров это не составит труда. 

В 2016 году инженеры Google смоделировали связь пары атомов водорода на собственном квантовом компьютере, тем самым доказав, что молекулярное моделирование возможно, а развитие квантовых технологий сделает его чрезвычайно полезным для практического применения в самых разных сферах. Появятся более эффективные медицинские препараты и солнечные батареи, гибкая электроника, новые типы материалов и многое другое.

Генетика

Ученые уже достаточно подробно исследовали тонкости человеческой ДНК, однако пока что на удивление немного известно о белках, которые кодирует ДНК. Благодаря квантовым расчетам у генетиков появится возможность моделировать сложные молекулярные взаимодействия на атомном уровне, что будет чрезвычайно важно для разработки новых методов медицинских исследований и препаратов. 

Появится возможность анализировать «квантовые точки» — полупроводниковые нанокристаллы, которые сейчас используются в передовых стратегиях выявления и лечения рака. Квантовые компьютеры, возможно, также помогут находить логику в таких мутациях в ДНК, которые на данный момент представляются случайными.

Медицина

В столь сложном организме, как человеческое тело, возможно бесчисленное множество вариантов реакции лекарственного препарата на окружающую среду. 

У квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия организма и лекарства, благодаря чему можно будет не только представить наилучший возможный план действий, но также точнее рассчитать шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка. 

Новые технологии также помогут лучше понять то, как функционирует жизнь в целом.

Искусственный интеллект

ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта и становится все точнее по мере работы обратной связи. Компьютер обрабатывает поступающие данные, анализирует возможные реакции и последствия и как бы сам обучается решению поставленных задач. 

Обратная связь зависит от расчета вероятности множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода прогнозирования. Искусственный интеллект, подкрепленный квантовыми компьютерами, перевернет каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для двадцать первого века тем, чем электричество стало для двадцатого.

Финансы

Принципиальную важность здесь имеет скорость операций. Большое количество проблем, с которыми сталкивается финансовая отрасль, остаются неразрешенными. 

Даже самые мощные компьютеры, работающие с использованием классических алгоритмов, не могут точно прогнозировать многие  финансовые и экономические события, так как это связано с огромным количеством факторов. Именно моделирование с использованием квантовых вычислений может значительно ускорить необходимые расчеты.

***

Реализация описанных перспектив удивительным образом трансформирует жизнь человека. Как писал известный теоретик в области квантовых вычислений Скотт Ааронсон, «сама возможность создания квантовых компьютеров уже меняет наши представления об окружающем мире». 

Перемены действительно происходят: несмотря на массу инженерных сложностей и высокую стоимость исследований, крупнейшие IT-корпорации и правительства многих стран уже включились в квантовую гонку.


Материалы по теме:

Как будет развиваться искусственный интеллект в 2019 году — исследование

«Если я зашел в компанию как инвестор, то ваша компания с этого же дня выставлена на продажу» — Александр Галицкий о стартапах, условиях сделок и последних 

Хайповые области для стартапов: что актуально в 2019 году

Взлом смарт-контрактов, умный фишинг и дипфейки: какими будут киберугрозы в ближайшие 5 лет

Телепортация: реально ли перемещаться на тысячи километров?

Фото на обложке: Unsplash

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Актуальные материалы —
в Telegram-канале @Rusbase