Считают за 200 сек то, что классические ПК считали бы 10 тыс. лет: как работают квантовые компьютеры
И где есть работа для квантовых программистов
В начале ХХІ века выяснилось: использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои пределы, и все они практически достигнуты. При этом перед человечеством стоит немало задач, для решения которых классических компьютеров недостаточно. Так возникла идея создания квантового компьютера, в котором используют уникальный софт.
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики. Особенность квантовой частицы заключается в том, что она может находиться в нескольких местах одновременно, а это полностью противоречит законам макромира, в котором живем мы.
Как именно программируют на квантовых компьютерах и что разрабатывают — рассказывают ученые ЛНУ имени И. Франко Кристина Гнатенко и Владимир Ткачук, а также Research Engineer в квантовом стартапе Haiqu Владислав Лось.
Слева направо: Владимир Ткачук, Кристина Гнатенко и Владислав Лось
Принципы квантового мира
Развивая технологии классического программирования, человечество ставило целью создать мощный компьютер небольшого размера. Но двигаясь в этом направлении, можно прийти к черте, когда устройство будет проявлять квантовые эффекты. И тогда встает выбор: бороться с этими эффектами или попытаться использовать их. Так в 80-е годы ХХ в. возникла идея создания квантового компьютера. Одним из ее основоположников называют лауреата Нобелевской премии по физике Ричарда Фейнмана.
Итак, как именно это работает?
- Классический компьютер имеет в основе транзисторы и кремниевые чипы. Они используют для обработки информации бинарный код, состоящий из нулей и единиц. Поэтому бит, как минимальная единица информации, имеет два базовых состояния: 1 и 0. Изменения этих состояний легко контролировать: объекты могут либо находиться в конкретном месте, либо НЕ находиться.
- Работа же квантового компьютера основывается на принципе суперпозиции. Вместо битов используются кубиты (или квантовые биты). Они одновременно могут находиться и в состоянии 1, и в состоянии 0.
По словам заведующего кафедрой теоретической физики Львовского национального университета им. И. Франко Владимира Ткачука, квантовое программирование использует эти особенности микромира для вычислений:
«Мы с вами — большие объекты — живем по принципу «или-или» и мы не можем одновременно находиться в одной комнате и в другой. А микрочастицы живут по закону «и-и», поэтому могут быть в двух местах одновременно. Это называется принцип суперпозиции. Так живет микромир. И это дает квантовое преимущество, когда вы можете проводить вычисления гораздо эффективнее».
В ЛНУ квантовое программирование изучают с 2020 года. Владимир Ткачук и его коллега, профессор кафедры теоретической физики Кристина Гнатенко, впервые в Украине основали отдельную бакалаврскую программу по этому направлению, до этого более 20 лет занимаясь квантовыми вычислениями.
«Если есть возможность быть во многих состояниях одновременно, то можно и обрабатывать большое количество информации одновременно, то есть проводить вычисления параллельно. Это называют квантовым параллелизмом, объясняет Кристина Гнатенко. — Возможности квантовых компьютеров впечатляют. Уже достигнуто квантовое превосходство, которое предусматривает выполнение определенных задач с меньшими ресурсами и за меньшее время, чем на классическом компьютере».
Впервые о квантовом превосходстве заявили в компании Google в 2019 году. Позже его неоднократно доказывали в выполнении специфических задач. Речь идет о преимуществе в сотни миллиардов раз. В первую очередь — в скорости. Квантовый компьютер справился с задачей за 200 секунд, а классический выполнял бы ее за 10 тыс. лет.
Какие квантовые компьютеры уже существуют
В ноябре 2022 года компания IBM представила самый мощный квантовый процессор в мире — на 433 квантовых бита или кубита.
Как выглядит квантовый компьютер. Фото с сайта IBM
Чтобы добиться такой производительности, обычному компьютеру понадобится больше битов, чем атомов в известной Вселенной, пишет издание «24 Техно». И это не предел для квантового компьютера, ведь, как пишут на портале ITC, уже в этом году запланирован выход еще более мощного квантового компьютера. При этом смоделировать классический компьютер подобной мощности просто невозможно.
Квантовое устройство имеет большой размер, а температура, на которой оно работает, сверхнизкая — примерно −273℃. К тому же его стоимость насчитывает миллионы долларов США. Например, компания IBM планирует в течение ближайших десяти лет построить новый мощный квантовый компьютер, на разработку которого выделят $ 100 миллионов.
Но на рынке представлены и портативные квантовые компьютеры, стоимость которых составляет не миллионы, а тысячи долларов США. Например, самый дешевый стоит $ 8700.
Портативный квантовый компьютер. Скриншот с сайта компании SpinQ
Портативные квантовые компьютеры весят от 14 до 44 килограмм, а их процессоры рассчитаны на 2–3 кубита, отмечает портал NNews. Вместо сверхпроводящих кубитов, которые требуют очень низких температур, портативный квантовый процессор поставляется с кубитами, которые работают на основе ядерного магнитного резонанса.
Но при этом такие устройства и значительно менее мощные, поэтому используются только для ознакомления с квантовым программированием.
Research Engineer в квантовом стартапе Haiqu Владислав Лось отмечает: пока сфера квантовой информатики находится на начальном этапе:
«Если сравнивать с развитием классических компьютеров, мы на стадии огромных ламповых машин. Поэтому большинство компаний, которые занимаются исследованиями квантовых вычислений, делает это наперед: чтобы на момент, когда квантовые компьютеры достигнут соответствующего уровня, эффективно запускать готовые алгоритмы.
НСамые сложные задачи для классических компьютеров становятся наиболее привлекательными для квантовых вычислений. Это в первую очередь задачи логистики, физических симуляций, материаловедение, химия, финансовые алгоритмы и экономика. Сейчас много денег в квантовое вычисление вкладывают компании из финансовой индустрии».
Украинец Владислав Лось специально поехал в Германию, чтобы детально изучать квантовое программирование. Сейчас он завершает магистратуру в городе Аахен, где занимается разработкой квантовых алгоритмов.
А с апреля текущего года Владислав Лось присоединился к украино-американскому стартапу Haiqu, который специализируется на квантовом программировании и создает технологии для повышения эффективности квантовых компьютеров.
Какие знания необходимы квантовому программисту
По словам Кристины Гнатенко, в квантовом программировании используют принципиально отличные технологии по сравнению с классическим:
«В квантовых компьютерах мы опускаемся на микромасштабы и работаем на языке квантовых частиц, поэтому технологии отличаются принципиально. Основа квантового программирования — это знание квантовой механики. Но понимание и опыт классического программирования тоже необходимы».
Владимир Ткачук добавляет, что для работы на квантовом компьютере важнее всего придумать алгоритм, как решить эффективно задачу, а еще учитывать, что не все квантовый компьютер решает быстро и результативно по сравнению с классическим:
«Для квантового программирования, кроме знаний по квантовой физике и понимания квантового мира, необходимо также понимать линейную алгебру. Потому что на квантовом компьютере проблема не только в том, чтобы решить задачу, а еще и придумать такую задачу, которая бы чрезвычайно эффективно решалась на этом компьютере. Также нужно придумать алгоритм, то есть решение этой задачи».
Владислав Лось подчеркивает, что, поскольку квантовое вычисление позволяет одновременно проводить операции с учетом большого количества параметров, все, кто хотел бы работать в этой области, должны обладать научными знаниями:
«Квантовые программисты занимаются тем, что решают, как проблему из той или иной индустрии — автомобильной, финансовой, химической промышленности и т. д. — перенести на физическую задачу, которую можно решить путем квантового вычисления. Поэтому такие специалисты очень тесно на данном этапе связаны с фундаментальной наукой.
Также надо понимать теорию информации и быть искусным в написании алгоритмов и глубинном анализе, каких ресурсов они требуют. Специалист должен знать, есть ли вот это квантовое преимущество, потенциал над классическим алгоритмом при решении той или иной задачи. И, конечно, необходимо понимание индустрии, для которой эти алгоритмы пишутся».
При этом какой-то особый язык программирования под квантовые компьютеры еще не разработали. Чаще всего квантовые программисты используют Python.
Украинцы имеют доступ к квантовому компьютеру, но у нас нет собственного мощного устройства
Хотя в украинских вузах изучают квантовое программирование, собственного мощного устройства в стране нет. В то же время украинские ученые и разработчики имеют доступ к квантовым компьютерам за рубежом через облачные технологии.
Разработчик Владислав Лось говорит, что оплата за доступ для бизнеса обычно начисляется за отдельное выполнение задачи или за время и что она гораздо выше, чем цена за доступ к классическим вычислениям. При этом большинство квантовых алгоритмов сейчас можно симулировать на классических компьютерах.
Для ученых можно запросить доступ к квантовому компьютеру бесплатно. Но, по мнению Кристины Гнатенко, для Украины было бы неплохо иметь собственный мощный квантовый компьютер:
«Кто владеет квантовыми технологиями, тот обладает большими возможностями. Если в Украине создадут квантовый компьютер и на нем будут проводиться эксперименты, это повысит наш научный уровень».
Владислав Лось добавляет, что крупные индустриальные государства уже вкладывают средства в программы развития квантовой информатики, включая создание компьютеров, и Украина должна также двигаться в этом направлении:
«Германия вложила порядка двух миллиардов евро в программы квантового вычисления. Речь о различных грантах для стимуляции исследований в области квантовых вычислений. В Украине мощная физико-математическая школа. У нас сильный ІТ-рынок. Поэтому мы имеем хорошие шансы, хорошие перспективы приобщиться к этому процессу».
Перспективы развития
По мнению Кристины Гнатенко, квантовые компьютеры в будущем будут достаточно распространенными, ведь уже сейчас можно наблюдать динамику развития квантового программирования в мире, создание новых алгоритмов и технологий. Например, уже активно используют проект квантовой криптографии, которая помогает в генерировании и шифровании информации.
«В Украине есть ІТ-компании, которые уже активно изучают квантовое программирование. Я вижу большие перспективы этого направлени», — подчеркивает Владимир Ткачук.
Например, на сайте Haiqu указан перечень специалистов по квантовому программированию, которых сейчас ищет компания. В частности требуются Research Engineers в Quantum Compilation, Research Scientists в области Quantum Algorithms, технические, продуктовые менеджеры и т. д.
Также исследованием квантового программирования занимается компания SoftServe. На данный момент в эту деятельность вовлечены специалисты в Украине, Сингапуре и Польше.
Относительно сроков, когда квантовое программирование станет полностью работать без погрешностей и ошибок, по мнению Владислава Лося, для этого могут понадобиться десятки лет. И в первую очередь речь именно о создании устройства:
«Это очень нетривиальная задача. Индустрия квантового софта гораздо больше сейчас развита, чем hardware. Задача по разработке квантовых компьютеров является очень сложной. Но невероятный потенциал, который дают квантовые вычисления, стимулирует постоянное развитие».
