Рахують за 200 сек те, що класичні ПК рахували б 10 тис. років: як працюють квантові комп’ютери
І де є робота для квантових програмістів
На початку XXI сторіччя з’ясували: використання електричних схем для створення обчислювальних пристроїв має свої межі, і всі їх практично досягнуто. При цьому перед людством стоїть чимало завдань, для розв’язання яких класичних комп’ютерів недостатньо. Так виникла ідея створення квантового комп'ютера, в якому використовують унікальний софт.
Квантовий комп’ютер — це обчислювальний пристрій, що працює за принципами квантової механіки. Особливість квантової частки полягає в тому, що вона може перебувати в кількох місцях одночасно, а це повністю суперечить законам макросвіту, в якому живемо ми.
Як саме програмують на квантових комп’ютерах та що розробляють — розповідають науковці ЛНУ імені І. Франка Христина Гнатенко й Володимир Ткачук, а також Research Engineer у квантовому стартапі Haiqu Владислав Лось.
Зліва направо: Володимир Ткачук, Христина Гнатенко та Владислав Лось
Принципи квантового світу
Розвиваючи технології класичного програмування, людство ставило за мету створити потужний комп’ютер невеликого розміру. Але рухаючись у цьому напрямку, можна прийти до межі, коли пристрій буде проявляти квантові ефекти. І тоді постає вибір: боротися з цими ефектами або спробувати використати їх. Так у 80-ті роки XX ст. виникла ідея створення квантового комп’ютера. Одним з її основоположників називають лауреата Нобелівської премії з фізики Річарда Фейнмана.
Тож як саме це працює?
- Класичний комп’ютер має в основі транзистори та кремнієві чипи. Вони використовують для обробки інформації бінарний код, що складається з нулів і одиниць. Тому біт, як мінімальна одиниця інформації, має два базові стани: 1 і 0. Зміни цих станів легко контролювати: об’єкти можуть або перебувати в конкретному місці, або НЕ перебувати.
- Робота ж квантового комп’ютера ґрунтується на принципі суперпозиції. Замість бітів використовуються кубіти (або квантові біти). Вони одночасно можуть перебувати і в стані 1, і в стані 0.
За словами завідувача кафедри теоретичної фізики Львівського національного університету ім. І. Франка Володимира Ткачука, квантове програмування використовує ці особливості мікросвіту для обчислень:
«Ми з вами — великі об’єкти — живемо за принципом «або-або» і ми не можемо одночасно перебувати в одній кімнаті й у іншій. А мікрочастинки живуть за законом: «і-і», тож можуть бути у двох місцях одночасно. Це називається принцип суперпозиції. Так живе мікросвіт. І це дає квантову перевагу, коли ви можете проводити обчислення набагато ефективніше».
В ЛНУ квантове програмування вивчають з 2020 року. Володимир Ткачук та його колега, професорка кафедри теоретичної фізики Христина Гнатенко, вперше в Україні заснували окрему бакалаврську програму за цим напрямом, до цього понад 20 років займавшись квантовими обчисленнями.
«Якщо є можливість бути в багатьох станах одночасно, то можна й обробляти велику кількість інформації одночасно, тобто проводити обчислення паралельно. Це називають квантовим паралелізмом, — пояснює Христина Гнатенко. — Можливості квантових комп’ютерів вражають. Уже досягнуто квантової переваги, яка передбачає виконання певних задач з меншими ресурсами й за менший час, ніж на класичному комп’ютері».
Вперше про квантову перевагу заявили в компанії Google у 2019 році. Пізніше її неодноразово доводили у виконанні специфічних задач. Ідеться про перевагу в сотні мільярдів разів. Насамперед — у швидкості. Квантовий комп’ютер впорався із задачею за 200 секунд, а класичний виконував би її за 10 тис. років.
Які квантові комп'ютери вже існують
У листопаді 2022 року компанія IBM представила найпотужніший квантовий процесор у світі — на 433 квантових біти або кубіти.
Який вигляд має квантовий комп'ютер. Фото із сайту IBM
Щоб домогтися такої продуктивності, звичайному комп’ютеру знадобиться більше бітів, аніж атомів у відомому Всесвіті, пише видання «24 Техно». І це не межа для квантового комп’ютера, адже, як пишуть на порталі ITC, уже в цьому році заплановано вихід ще більш потужного квантового комп’ютера. При цьому змоделювати класичний комп’ютер подібної потужності просто неможливо.
Квантовий пристрій має великий розмір, а температура, на якій він працює, наднизька — приблизно −273℃. До того ж його вартість нараховує мільйони доларів США. Наприклад, компанія IBM планує протягом найближчих десяти років побудувати новий потужний квантовий комп’ютер, на розробку якого виділять $ 100 мільйонів.
Але на ринку представлені й портативні квантові комп’ютери, вартість яких становить не мільйони, а тисячі доларів США. Наприклад, найдешевший коштує $ 8700.
Портативний квантовий комп'ютер. Скриншот із сайту компанії SpinQ
Портативні квантові комп'ютери важать від 14 до 44 кілограм, а їхні процесори передбачені на 2–3 кубіти, зазначає портал NNews. Замість надпровідних кубітів, які вимагають дуже низьких температур, портативний квантовий процесор постачається з кубітами, які працюють на основі ядерного магнітного резонансу.
Але при цьому такі пристрої й значно менш потужні, тому використовуються тільки для ознайомлення з квантовим програмуванням.
Research Engineer у квантовому стартапі Haiqu Владислав Лось наголошує: поки що сфера квантової інформатики перебуває на початковому етапі:
«Якщо порівнювати з розвитком класичних комп'ютерів, ми на стадії величезних лампових машин. Тому більшість компаній, які займаються дослідженнями квантових обчислень, робить це наперед: щоб на момент, коли квантові комп'ютери досягнуть відповідного рівня, ефективно запускати готові алгоритми.
Найскладніші задачі для класичних комп'ютерів стають найбільш привабливими для квантових обчислень. Це передусім задачі логістики, фізичних симуляцій, матеріалознавство, хімія, фінансові алгоритми й економіка. Зараз багато грошей у квантове обчислення вкладають компанії з фінансової індустрії».
Українець Владислав Лось спеціально поїхав до Німеччини, щоб детально вивчати квантове програмування. Наразі він завершує магістратуру в місті Аахен, де займається розробкою квантових алгоритмів.
А з квітня поточного року Владислав Лось долучився до україно-американського стартапу Haiqu, який спеціалізується на квантовому програмуванні та створює технології для підвищення ефективності квантових комп'ютерів.
Які знання потрібні квантовому програмісту
За словами Христини Гнатенко, у квантовому програмуванні використовують принципово відмінні технології порівняно з класичним:
«У квантових комп’ютерах ми опускаємося на мікромасштаби та працюємо мовою квантових частинок, тому технології відрізняються принципово. Основа квантового програмування — це знання квантової механіки. Але розуміння та досвід класичного програмування теж необхідні».
Володимир Ткачук додає, що для роботи на квантовому комп’ютері найважливіше придумати алгоритм, як розв’язати ефективно задачу, а ще взяти до уваги, що не все квантовий комп’ютер розв’язує швидко та результативно порівняно з класичним:
«Для квантового програмування, окрім знань з квантової фізики та розуміння квантового світу, потрібно також розуміти лінійну алгебру. Бо на квантовому комп’ютері проблема не тільки в тому, щоб розв’язати задачу, а ще й придумати таку задачу, яка б надзвичайно ефективно розв’язувалася на цьому комп’ютері. Також треба придумати алгоритм, тобто розв’язок цієї задачі».
Владислав Лось наголошує, що, оскільки квантове обчислення дає змогу одночасно проводити операції з урахуванням великої кількості параметрів, всі, хто хотів би працювати в цій галузі, повинні мати наукові знання:
«Квантові програмісти займаються тим, що вирішують, як проблему з тієї чи іншої індустрії — автомобільної, фінансової, хімічної промисловості тощо — перенести на фізичну задачу, яку можна розв’язати шляхом квантового обчислення. Тому такі фахівці дуже тісно на цьому етапі пов'язані з фундаментальною наукою.
Також треба розуміти теорії інформації й бути вправним у написанні алгоритмів і глибинному аналізі, яких ресурсів вони потребують. Фахівець має знати, чи є ось ця квантова перевага, потенціал над класичним алгоритмом під час розв’язання тієї чи іншої задачі. І, звичайно, необхідним є розуміння індустрії, для якої ці алгоритми пишуть».
Заразом якусь особливу мову програмування під квантові комп’ютери ще не розробили. Найчастіше квантові програмісти використовують Python.
Українці мають доступ до квантового комп’ютера, але у нас немає власного потужного пристрою
Хоча в українських вишах вивчають квантове програмування, власного потужного пристрою в країні немає. Водночас українські науковці та розробники мають доступ до квантових комп’ютерів за кордоном через хмарні технології.
Розробник Владислав Лось каже, що оплату за доступ для бізнесу зазвичай нараховують за окреме виконання задачі або за час і що вона набагато вища, ніж ціна за доступ до класичних обчислень. До того ж більшість квантових алгоритмів зараз можна симулювати на класичних комп'ютерах.
Для науковців можна запросити доступ до квантового комп'ютера безоплатно. Однак, на думку Христини Гнатенко, для України було б непогано мати власний потужний квантовий комп’ютер:
«Хто розуміється на квантових технологіях, той має більші можливості. Якщо в Україні створять квантовий комп’ютер і на ньому будуть проводити експерименти, це підвищить наш науковий рівень».
Владислав Лось додає, що великі індустріальні держави вже вкладають кошти у програми розвитку квантової інформатики, включно зі створенням комп'ютерів, і Україна має також рухатись у цьому напрямку:
«Німеччина вклала близько двох мільярдів євро на програми квантового обчислення. Йдеться про різні гранти для стимуляції досліджень у галузі квантових обчислень. В Україні потужна фізико-математична школа. У нас сильний ІТ-ринок. Тому ми маємо гарні шанси, гарні перспективи долучитися до цього процесу».
Перспективи розвитку
На думку Христини Гнатенко, квантові комп’ютери в майбутньому будуть достатньо розповсюдженими, адже вже зараз можна спостерігати динаміку розвитку квантового програмування у світі, створення нових алгоритмів і технологій. Наприклад, уже активно використовують проєкт квантової криптографії, яка допомагає в генеруванні й шифруванні інформації.
«В Україні є ІТ-компанії, які вже активно вивчають квантове програмування. Я бачу великі перспективи цього напряму», — наголошує Володимир Ткачук.
Наприклад, на сайті Haiqu вказано перелік фахівців із квантового програмування, яких зараз шукає компанія. Зокрема потрібні Research Engineers в галузі Quantum Compilation, Research Scientists у Quantum Algorithms, технічні та продуктові менеджери тощо.
Також дослідженням квантового програмування займається компанія SoftServe. Наразі до цієї діяльності залучено фахівців в Україні, Сінгапурі та Польщі.
Щодо термінів, коли квантове програмування стане повністю працювати без похибок і помилок, на думку Владислава Лося, для цього можуть знадобитися десятки років. І насамперед ідеться саме про створення пристрою:
«Це дуже нетривіальна задача. Індустрія квантового софту набагато розвиненіша зараз, аніж hardware. Завдання щодо розробки квантових комп'ютерів є дуже складним. Але неймовірний потенціал, який дають квантові обчислення, стимулює постійний розвиток».
