В МГУ рассказали, что тормозит развитие квантовых компьютеров в России
Adventtr / Getty Images
Квантовый компьютер — это прорывная технология для передачи и обработки данных. Используя квантовую механику, новое устройство должно помочь решить задачи, невозможные для обычных компьютеров. Фактически это борьба за научное первенство, которая уже началась. Так сверхпроводящие кольца, за которые недавно была присуждена Нобелевская премия по физике, уже используются в квантовых компьютерах. В России сейчас несколько научных групп параллельно разрабатывают т.н. кубиты, лежащие в основе новых компьютеров. Смогут ли квантовые компьютеры создать научный прорыв уже в ближайшем будущем, отстает ли Россия в их разработках, а также как 0 и 1 могут быть одновременно в суперпозиции, RTVI рассказал Станислав Страупе — научный руководитель центра квантовых технологий Сбера, руководитель научной группы в МГУ и Российском квантовом центре.
Как работает квантовый компьютер
Любой разговор о квантовом компьютере невозможно начать, не объяснив различия между битом и кубитом…
Небольшой дисклеймер — говоря о квантовых вычислениях, есть вещи, которые невозможно объяснить честно и правдиво и одновременно понятно широкой аудитории. Чем квантовый вычислитель отличается от классического? В первую очередь — носителем информации. В классическом компьютере, как правило, информация кодируется двоичным кодом, поэтому с физической точки зрения носители этой информации — это какие-то объекты, которые могут находиться в двух состояниях, условно называемых логическим нулем, или единицей.
Кубит — наименьшая единица информации в квантовых вычислениях, квантовый бит. Кубиты — это информационные единицы, аналоги битов, используемых в обычных компьютерах. Если бит — это два возможных состояния (или ноль, или единица), то кубит — это все возможные состояния между этими числами. Если представить бит монетой, лежащей либо орлом, либо решкой, то кубит — монета, крутящаяся в воздухе, находящаяся одновременно в состоянии орла или решки — принцип суперпозиции. При измерении состоянии кубита он «коллапсирует» в одно из состояний, но до этого он может быть в обоих состояниях одновременно.
Квантовый компьютер — это похожее устройство, в котором тоже используются физические системы, кубиты, у которых есть два различных состояния — логические 0 и 1. Но разница в том, что системы эти не классические, а описываются квантовой механикой, где есть несколько радикальных отличий от классической физики. Одно из них — это принцип суперпозиции, который гласит, что если у вас есть система, которая может находиться в двух различных состояниях, то она может находиться и в так называемой суперпозиции этих состояний. То есть некоторым образом эти два состояния смешиваются и дают третье, причем они могут складываться с разными коэффициентами.
Этот принцип суперпозиции расширяет пространство состояний, доступных системе. Самое интересное начинается, когда кубитов становится много, потому что число параметров, описывающих состояние многокубитной системы, растет в геометрической прогрессии с ростом числа кубитов. Доступное пространство, в котором живет эта большая квантовая система из многих кубитов, имеет очень большой размер. Это одна из причин, по которым такие системы очень сложно моделировать на обычном компьютере. Собственно, из попытки решить эту проблему и родилась вообще идея квантовых вычислений.
В квантовых вычислениях ключевую роль играет понятие запутанности. Запутанность это следствие принципа суперпозиции, когда он применяется к системам из нескольких составных частей. Например, если у вас есть два кубита, они могут находиться в состоянии нуля или единицы. Но принцип суперпозиции нам говорит, что они могут быть и в суперпозиции этих состояний, то есть что-то типа 00+11. И в этом состоянии оказывается, что между результатами измерений у каждого из этой пары кубитов будут корреляции.
Если при измерении один из этих кубитов оказался в состоянии ноль, то и второй обязательно окажется в состоянии ноль. Причем эту информацию вы узнаете вне зависимости от того, на каком расстоянии друг от друга находятся эти кубиты и как устроена между ними связь. Но удивительно не это, а то, что вы можете мерить эти кубиты по-разному, выбирать разные типы измерений, а корреляции будут сохраняться.
Вы можете взять два запутанных кубита, оставить один на Земле, а второй перенести на Марс, а дальше решать, что будете мерить, уже после того, как вы их разнесли, при этом никакую информацию вы не можете передавать между ними. Тем не менее, исходы измерений будут скоррелированы, правда, об этом вы узнаете только, если получите какую-то информацию с Марса о том, какие были там исходы измерений. Получив ее, вы увидите, что результат у вас всегда скоррелирован вне зависимости от расстояния между кубитами. Эта запутанность — свойство квантовых систем, в которых корреляции проявляются не только при каком-то одном измерении, а они проявляются при самых разных измерениях.
В квантовых компьютерах запутанность проявляется в экспоненциальном росте размерности пространства — когда вы добавляете 1 кубит к вашей системе, число доступных состояний увеличивается вдвое и так далее.
Какие бывают кубиты
Какие типы кубитов известны?
Успешных не так много. Сейчас основные платформы, это одиночные атомы и ионы, фотоника — то есть, кубиты, закодированные в квантах света, сверхпроводящие кубиты, которые кодируются в состояниях электрических схем, за что в этом году дали Нобелевскую премию. Есть полупроводниковые кубиты, то есть разные дефекты в полупроводниковых структурах, которые тоже ведут себя квантовым образом.
То, что называют квантовыми точками?
В частности. Или, например, примесные атомы в полупроводниках, когда ядерный спин этого примесного атома работает как кубит.
Чем хороши «нобелевские», сверхпроводниковые кубиты?
Они замечательны тем, что это искусственная структура. В отличие от атомов и ионов, в которых квантовая система создана природой, здесь вы в каком-то смысле создаете свой искусственный атом. И Нобелевская премия присуждена за то, что лауреаты научились создавать эти искусственные системы, большие, макроскопические, которые проявляют истинно квантовые свойства, то есть они ведут себя как одиночные квантовые объекты. С технологической точки зрения это довольно удобно, потому что вы переносите эффекты из микромира в область электрических схем, с которыми можете работать привычными для электротехники методами. Единственный нюанс в том, что эти схемы должны иметь очень-очень низкую температуру, сотые доли Кельвина, иначе тепловые шумы не позволят увидеть квантовую природу явлений, которые там происходят.
Охлаждение макроскопического объекта до такой температуры проблем не вызывает?
Конечно, вызывает, и это одна из проблем на пути к масштабированию таких систем. Почему сложно сделать квантовый компьютер с миллионом кубитов на этой технологии? Чип будет очень большой, уместить миллион кубитов на квадратный миллиметр не получится. Структуру такого большого размера крайне сложно охлаждать, поскольку хладопроизводительность холодильников, так называемых криостатов растворения, которые позволяют достигать этих сверхнизких температур, очень маленькая.
Но сейчас рассматриваются системы, в которых есть несколько разных криостатов, связанных между собой. Получается такая сеть из маленьких квантовых компьютеров, которая вся целиком должна работать как квантовый компьютер большего масштаба.
Университет науки и технологий МИСИС
Где находится самый мощный квантовый компьютер в России
Какие научные группы в России какие платформы разрабатывают?
В России групп, работающих в области сверхпроводящих кубитов несколько. Есть очень сильная группа в МИСиСе под руководством Алексея Устинова, есть сильная группа в МФТИ, Олега Астафьева. Они сейчас в основном двигаются в сторону квантовых симуляторов — сверхпроводящих структур для физического моделирования и таких применений, как квантовое машинное обучение. И есть группа в МГТУ имени Баумана под руководством Ильи Родионова с сильной технологической базой, первый отечественный сверхпроводящий кубит они создали наверное лет 10 назад. Недавно они выпустили четырехкубитный процессор в открытый доступ. Это, наверное, первый процессор в России, который постоянно находится в онлайн-доступе, к нему, в принципе, можно постучаться и чего-то на нем запустить.
А как выглядит этот процессор на сверхпроводниках? Это размер комнаты, чемодана?
Если вы в Google забьете «сверхпроводниковый квантовый компьютер», то увидите нечто «люстроподобное», это и есть криостат растворения. Разные ступени этой «люстры», это металлические пластины, находящиеся при разной температуре. На самой нижней расположен чип. Дальше вся эта конструкция закрывается, и вместе с управляющей электроникой имеет размеры порядка 2*2 метра.
Университет науки и технологий МИСИС
Фотонными кубитами занимается группа в МГУ, в которой я начинал и продолжаю научную деятельность. В Российском квантовом центре еще есть несколько групп, которые занимаются фотоникой в контексте квантовых симуляторов, типа машин Изинга и других. Группа в МГУ занимается так называемыми бозонными семплерами — устройствами, на которых наиболее убедительным способом продемонстрировано квантовое превосходство. Я последние полтора года работаю в «Сбербанке», и наша группа также работает с квантовой фотоникой в том числе.
Квантовыми точками занимается очень сильная группа в Санкт-Петербурге, в ФТИ имени Иоффе под руководством Алексея Торопова. Они занимаются источниками фотонов на квантовых точках для применения в вычислениях, в бозонных сэмплерах и в криптографии. У них одни из лучших источников фотонов на квантовых точках в мире. В Нижнем Новгороде есть группа, которая пытается работать с квантовыми точками в кремнии, как с кубитами.
И есть несколько групп, которые работают с ионами, — атомами, у которых один из электронов удален. Обычно это двухэлектронные атомы, у которых один электрон надо удалить, а со вторым работать. С ионами иттербия работают в ФИАНе (Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН) под руководством Николая Колачевского, с кальцием — Кирилл Лахманский в Российском квантовом центре.
И в ФИАНе уже готов 50-кубитный компьютер?
Да, самый мощный, если можно так выразиться, квантовый компьютер в России сделан в ФИАНе, и он ионный. В нем 25 ионов, и в них кодируется 50 кубитов. Их изюминка в том, что коллеги научились физически кодировать два кубита в один ион. Поэтому при не очень большом числе ионов у них получается вдвое больше кубитов.
МГУ имени М.В.Ломоносова
Нейтральными атомами занимается группа на физфаке МГУ, в которой я продолжаю работать. Мы работаем с одиночными атомами рубидия в оптических пинцетах и пытаемся делать кубиты с одиночными атомами. Оптический пинцет — это сфокусированный лазерный луч. В области, где образуется максимум интенсивности, удерживается один атом. Дальше вы делаете массив из этих пинцетов, матрицу из фокусированных лучей, и в каждой перетяжке у вас сидит по одному атому.
На каком расстоянии они друг от друга и взаимодействуют ли?
Расстояние между ними несколько микронов, и это расстояние определяется как раз тем, что они должны чувствовать друг друга. На самом деле, поскольку атомы нейтральные, то на таких больших по атомным меркам расстояниях взаимодействий почти нет. Чтобы включить это взаимодействие, и атомы чувствовали друг друга, находясь в соседних пинцетах, их приходится возбуждать в так называемые Ридберговские состояния, когда электрон внешней орбитали переводится на очень большое расстояние от ядра. При этом атомы даже на больших расстояниях начинают взаимодействовать. За счет этого происходит обмен информацией между кубитами, их можно запутать, и весь этот 50-атомный регистр памяти может стать единым объектом.
Какие преимущества у тех или иных платформ, и по каким параметрам вообще их принято сравнивать?
Сравнивать квантовые компьютеры, построенные на разных технологических платформах, очень сложно. Конечным бенчмарком является выполнение каких-то алгоритмов, то есть, то, что ваш квантовый компьютер может решить какую-то задачу. Если он может сделать это, например, эффективнее, чем мощный классический суперкомпьютер, это и есть показатель того, что вы не зря потратили время и деньги. Но до тех пор, пока вы еще не там, меряться числом кубитов или еще чем-то нужно с большой осторожностью. Потому что и число кубитов само по себе и точность операций — это все косвенные показатели.
Тем не менее, число кубитов и точность операций — важные параметры. Точность определяет, сколько логических операций вы можете сделать до тех пор, пока всё не потонет в шумах, пока квантовое состояние полностью не развалится, или, как говорят декогерирует, и над сколькими кубитами вы это число операций можете сделать. Причем важно и то, и другое. То есть у вас может быть компьютер с не очень большим числом кубитов, но с очень большой точностью операций, где вы можете делать очень длинные последовательности операций. Это, как правило, ионные системы. И у вас может быть система, в которой, наоборот, много кубитов, как в сверхпроводящих или атомных процессорах, но точность операции сильно ниже.
Что значит точность, например, 0.998? То, что корень из ста вычисляется с такой погрешностью или что 998 раз он вычисляется верно, а два раза —не очень?
Квантовые алгоритмы всегда, как правило, вероятностны. То есть результат вы получаете с определенной вероятностью ошибки. Вам нужно, чтобы эта вероятность ошибки была не очень большой. Чтобы, грубо говоря, правильный результат получался чаще, чем неправильный. Тогда вы сможете отделить один от другого — очень грубо говоря, тот, который получается чаще, тот и правильный.
Но ведь с классическими компьютерами такой проблемы не возникает?
Просто в классических компьютерах вероятность ошибки очень маленькая. Ваш калькулятор, в принципе, может выдать неправильный результат, просто вероятность этого настолько маленькая, что вы, скорее всего, в жизни с этим не столкнетесь. В нем есть некоторая избыточность, которая позволяет вероятность ошибки свести к очень маленькой величине, например на уровне 10(−8).
А в квантовых компьютерах все то же самое, просто вероятность ошибки сейчас большая, и это приводит к тому, что полезные вычисления сделать не удается. И сейчас есть понимание, что нужно двигаться в сторону того, чтобы ошибки активно корректировать. Но эта коррекция ошибок не дается даром, она достигается за счет избыточного кодирования. То есть вам нужно больше кубитов на то, чтобы кодировать логическую информацию. Поэтому у нас основная работа сейчас ведется не столько в сторону увеличения числа кубитов, сколько в направлении увеличения точности операций.
Гонка за квантовым превосходством
Есть ли конкуренция между разными группами и платформами, и за что?
Конкуренция существует, прежде всего в научной плоскости. Мы, так или иначе, делаем общее дело, но какая-то конкуренция за финансирование конечно, есть.
Я правильно понимаю, что квантовое превосходство — это веха, которую на каком-то этапе должна преодолеть каждая команда, и вы в том числе?
Конечно. Впервые квантовое превосходство было достигнуто в 2019 году компанией Google на сверхпроводниковых кубитах, которых было 53, если мне не изменяет память, на процессоре Sycamore. Сейчас у них есть процессор Willow, он побольше, точность операций выше.
Если вы хотите, чтобы квантовый компьютер приносил пользу, он должен делать что-то лучше, чем классический. Что такое квантовое превосходство? Это когда вы свой квантовый процессор не можете промоделировать на классическом компьютере за разумное время. То есть он, грубо говоря, делает что-то быстрее, чем его классический собрат. Это необходимое условие, чтобы квантовый компьютер приносил пользу. Не достаточное, но необходимое.
Важно понимать, что в реальных сценариях квантовый компьютер может не быть более производительным, чем лучший в мире суперкомпьютер, но сильно превосходить, например, по энергоэффективности доступный вам вычислитель. Это тоже будет хорошо. Поэтому квантовое превосходство — это немножко размытая грань.
Среди российских групп, кто ближе к этой вехе? Это можно как-то оценить субъективно или всем еще далеко?
Всем еще далеко.
Все ли платформы одинаково масштабируемы?
У сверхпроводников большая проблема с охлаждением, но это не значит, что ее нельзя решить. И если мы посмотрим на дорожную карту той же IBM, она выглядит довольно бодро.
А какое пространство занимали их 52 кубита?
Внутри одного криостата.
То есть объем не растет в 50 раз при увеличении числа кубитов в 50 раз?
Нет, не настолько прямолинейно. Криостаты для большего числа кубитов увеличиваются в размере, потому что нужно заводить внутрь больше микроволновых линий, и они неизбежно становятся чуть-чуть побольше, но не пропорционально числу кубитов.
Ионная ловушка — сердце 50-кубитного квантового процессора
ФИАН
У ионов тоже есть проблема с масштабируемостью. У систем наподобие той, что используется в ФИАНе, применяются так называемые объёмные ионные ловушки, где ионы висят в вакууме в системе из объемных электродов, создающих правильную конфигурацию электромагнитных полей. По сути, это ионный кристалл. И с увеличением числа ионов в этом кристалле становится всё сложнее и сложнее охлаждать эту штуку.. Охлаждение происходит с помощью лазеров, поэтому холодильников в прямом смысле слова там нет.
Облучаем ион лазером на определенной частоте, и он переходит на другой уровень?
Грубо говоря, да, и за счет этого ион теряет немножечко энергии колебательного движения и потихоньку охлаждается, но делать это все сложнее и сложнее с увеличением числа ионов. Решение там найдено: эту цепочку делят на кусочки и охлаждают по частям. Но это технически проще всего делать в так называемых планарных ионных ловушках. Это такие, грубо говоря, ионные чипы, где электроды изготовлены на плоскости, на чипе, а ионы висят над ними.
Тогда можно сделать довольно сложную структуру электродов, перемещать ионы, делить эту цепочку на несколько кусочков, охлаждать по отдельности, делать логические операции и так далее. Это технологии, которыми сейчас ведущие компании в этой области хорошо овладели, а у нас в России это только предстоит сделать.
С атомами чуть попроще, поскольку они нейтральные, там нет этой проблемы, их можно охлаждать в произвольной конфигурации, вне зависимости от того, как они расположены. В пинцетах тоже есть естественные пределы, поскольку сложно представить себе миллион пинцетов — это очень сложно сделать, но системы из нескольких тысяч оптических пинцетов в мире продемонстрированы, и это реальность. Сделать компьютер такого масштаба, наверное, возможно. Дальше большой вопрос — можно ли запускать на таком числе кубитов какие-то полезные алгоритмы.
Но у вас есть такая цель — дальнейшее увеличение числа кубитов?
Я думаю, что на атомных системах можно дойти до сотен, может быть тысяч. Дальше я пока не очень представляю себе, как масштабировать до уровней в сотни тысяч или миллионы. Но на атомной платформе уровень в несколько сотен, а может быть и в несколько тысяч, достижим.
Место России в квантовых вычислениях
Можно ли спрогнозировать, когда будет достигнуто квантовое превосходство, конкретной группой на конкретной платформе, например, вашей?
Я не готов на это сейчас дать ответ.
Оно достижимо при определенном количестве кубитов?
Количестве кубитов и точности операции. Для его достижения вам нужно некоторое минимальное число кубитов, потому что систему, скажем, из 30 кубитов, даже идеальную, я промоделирую без проблем, если не на ноутбуке, то на приличном компьютере. Систему из 45 кубитов я промоделирую на суперкомпьютере. Систему из 60 кубитов я точно не промоделирую уже, скорее всего, нигде. Но приближенно моделировать проще, поэтому уровень точности операций должен быть достаточно высоким, чтобы приближенное моделирование не работало.
Вы назвали пять основных платформ кубитов, с учетом более экзотических их наберется с десяток. Как вы видите развитие квантовых компьютеров — весь мир остановится на одной платформе или разные будут служить разным задачам?
Тут возможны несколько сценариев. Может быть сценарий классической вычислительной техники, в которой одна платформа всех победит, как в свое время победил кремний в интегральных схемах. Не исключено даже, что это будет опять кремний, и какие-нибудь квантовые точки, для которых частично переиспользуют существующую инфраструктуру производства интегральных схем.
Если вы сможете каким-то образом переиспользовать фабрики вроде тайваньской TSMC, это будет огромным плюсом, если речь будет идти о CMOS-совместимой технологии. Но CMOS-совместимая технология — это не только полупроводники, это еще и фотоника. И есть все предпосылки для того, чтобы технологичность быстро росла.
Либо будет ситуация, в которой будут нишевые применения для каждой из технологических платформ, сейчас она представляется более вероятной.
IBM продемонстрировала квантовое превосходство шесть лет назад. Как оценить отставание российских групп от западных?
Мы отстаем везде, в разных платформах отставание может быть разным, но в целом я бы оценил его лет в 5. Оно не такое катастрофическое, как в микроэлектронике, но оно есть.
Поздний старт или другие причины?
Поздний старт, конечно, и технологические проблемы, отсутствие необходимой инфраструктуры. Например, если говорить про фотонику, у нас только сейчас появляются фабрики, которые могут что-то делать. Если говорить про атомные или ионные платформы, там чуть получше, но все равно существенная часть комплектующих, электроника, закупается.
Общий технологический уровень, к сожалению, по объективным и другим причинам, у нас провалился довольно сильно. Поскольку технология новая, и тут еще много чисто научных аспектов, это отставание пока не настолько заметно. Но потихонечку оно будет нарастать, если мы не научимся выводить это за пределы лабораторий. Пока это опытные образцы с одиночными кубитами, общий технологический уровень играет не такую большую роль. Но когда вы начинаете это дело масштабировать, более технологически продвинутые игроки начинают иметь больше преимуществ. Это связано, в том числе, и с финансовыми вложениями. Когда вы переходите от прикладной науки к собственно технологии, неизбежно происходит скачок и по затратам, и по масштабам, по требованиям к технологическому уровню.
Мнение о том, что прогресс в области квантовых компьютеров не чувствуется, думаю, не совсем правильная точка зрения. Может этот прогресс идет не так быстро, как хотелось бы инвесторам, но прогресс колоссальный, и темпы его увеличиваются. То, что считалось возможным 10 лет назад, и считается возможным сейчас — две большие разницы.
Революция в энергетике и молекулы с заданными свойствами
Два года назад вы сетовали на то, что создание квантовых компьютеров в России тормозит, например, отсутствие литографов. Что-то изменилось?
Изменилось то, что люди обращают на это внимание. Есть программы развития микроэлектроники, в том числе литографии, есть проекты по созданию отечественных литографов, и в государственных и коммерческих компаниях. Люди работают, проблемы пока не решены. Литограф литографу рознь. Если мы говорим про оптическую литографию, то там технология 90 нанометров это одно, а 2 нанометра — другое. Для компонентов интегральной фотоники 90 нанометров будет, наверное, достаточно, а для современной электроники — явно нет
Процент импортных комплектующих немножко уменьшается, мы вынуждены это делать. Естественно, мы стараемся, где можно, покупать вещи китайского и отечественного производителя.
Где есть критическая зависимость от импорта?
Честно говоря, в первую очередь в электронике. Ни один квантовый компьютер не будет работать без управляющей электроники. Большая часть чипов, конечно, закупается. Лазер сделать можно, а вот то, как сделать прослойку между классическим компьютером и этой штукой, может быть проблемой.
Опасно думать, что квантовые компьютеры или какая-нибудь фотоника, оптические или аналоговые процессоры полностью заменят нам электронику. Они без нее работать не будут. И если мы действительно хотим получить технологическую независимость, эти критические технологии нужно локализовать какими угодно средствами.
Вас и ваших российских коллег стали меньше публиковать в зарубежных журналах?
Да, мы это заметили. Не так, чтобы сразу перестали публиковать, но потихонечку все больше и больше поддавливают. Это еще зависит от аффилиации. Если это организация из SDN-листа (Specially Designated and Blocked Persons List) то, с ней во многих журналах сложно опубликоваться. В нем сейчас соседствуют организации типа «Аль-Каиды»* и «Сколтеха», МФТИ и ИТФ имени Ландау.
Как ни странно, Американское физическое общество, которое издает Physical Review Letters, пока держится — там мы публикуемся. А вот Optical Society of America, издающее Optics Letters? начало сдаваться. И из Optics Letters нам недавно сказали, что с аффилиацией «Сбербанка» — извините. А еще на конференции стало ездить гораздо труднее. Затраты, получение виз стало совершенно невозможной процедурой и перемещения стали настолько ограничены, что проще не ездить.
Наверное, в обществе сложилось наивное представление, что квантовый компьютер будет волшебной машиной, которому под силу любая задача. Что ему будет под силу, а какие задачи наоборот — не для них?
Конечно, это не волшебная палочка. Радикальное ускорение доступно в довольно узком классе алгоритмов. Это всякие алгоритмы, связанные с теорией чисел, типа Шора — криптоанализ, взлом систем шифрования. Сейчас криптостойкость большей части систем шифрования с открытым ключом основана на сложности разложения больших чисел на простые множители. Соответственно, взлом таких систем шифрования это прямое приложение алгоритма Шора. Это не значит, что криптография с открытым ключом станет невозможной. Есть так называемые постквантовые алгоритмы шифрования, которые основаны на задачах, сложных для квантового компьютера.
Далее есть алгоритмы, использующие похожий на алгоритм Шора трюк для решения систем линейных уравнений. Они пока тоже от практической плоскости далеки, но там может быть экспоненциальное ускорение в задачах при решении больших дифференциальных уравнений сеточными методами. Но так же, как и алгоритм Шора, все эти алгоритмы пока довольно далеки от возможностей современных квантовых компьютеров. Для них нужны тысячи хороших логических кубитов.
Есть еще класс задач чисто переборных, когда делается перебор большого количества вариантов. Там задача должна быть очень большого масштаба, чтобы почувствовать разницу между классическим и квантовым компьютером, и мы тоже пока еще не там.
А вот то, где, мне кажется, в первую очередь будут приложения — это задачи физического и химического моделирования. То, что возвращается к изначальным идеям Фейнмана — использование квантового компьютера для моделирования других квантовых систем. Это могут быть структуры, процессы, которые требуют описания с учетом большого количества взаимодействующих электронов, какие-то большие молекулы. Для классического компьютера они сложны, а квантовый компьютер это будет решать. Примеры? Есть довольно вычислительно сложная задача— придумывать, как должны быть устроены светоизлучающие центры в органических светодиодах, которые стоят в матрицах современных экранов.
Можно думать про поиск эффективных химических катализаторов. Пример из другой области, это высокотемпературная сверхпроводимость. Она стала святым граалем физики с 80-х годов, когда обнаружили сверхпроводимость при температуре жидкого азота в довольно сложных соединениях, которые до сих пор плохо описываются…
Adobe Stock
А до комнатной температуры дойти никак не могут…
Да, потому что физические механизмы, которые приводят к сверхпроводимости при больших температурах, довольно сложны для моделирования и требуют моделирования систем, как говорят, с сильными электронными корреляциями. Там квантовый компьютер может быть очень полезен. И если единственным результатом создания квантового компьютера будет прорыв в области сверхпроводимости при комнатной температуре, одно это оправдает все вложения, потому что это станет революцией в энергетике.
Можно еще вот о чем пофантазировать. Сейчас в химии происходит в каком-то смысле революция, связанная с генеративным искусственным интеллектом, который начинает придумывать новые структуры молекул. И здесь можно представить связку такого рода системы с квантовым компьютером, который бы мог по структуре, которую генерирует искусственный интеллект, предсказывать ее свойства. Можно было бы замкнуть эту цепочку и выдавать соединения, обладающие заданными свойствами — это было бы замечательно.
* организация признана в России террористической, ее деятельность запрещена
https://rtvi.com/stories/my-otstaem-vezde-rossiya-v-gonke-za-kvantovym-prevoshodstvom/