Вычисления невиданной сложности. Как развиваются квантовые технологии

Мы все окружены квантами (один солнечный свет чего стоит), но для обычного человека квантовые технологии пока остаются чем-то недоступным и ассоциируются с далеким будущим. Между тем с их помощью уже сегодня упрощаются логистические процессы, появляются новые прочные и легкие материалы, происходят революционные изменения в здравоохранении. В ближайшей перспективе – появление квантовых суперкомпьютеров, которые будут помогать создавать лекарства от неизлечимых болезней и моделировать материалы с необычными свойствами.

Вычисления невиданной сложности. Как развиваются квантовые технологии   | Этим летом в немецком Энингене IBM запустила первый коммерческий квантовый компьютер с 27 кубитами. / ФОТО Bernd WEISSBROD/dpa/picture-alliane/ТАСС

Этим летом в немецком Энингене IBM запустила первый коммерческий квантовый компьютер с 27 кубитами. / ФОТО Bernd WEISSBROD/dpa/picture-alliane/ТАСС

Биты превращаются в кубиты

Что такое квантовые технологии? Как конкретно они могут использоваться в повседневной жизни каждого из нас? Какие преимущества бизнес и простые граждане получат от их внедрения? Нынешним летом эти вопросы обсуждали на VI международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021. Специалисты крупнейших компаний, представители квантовых стартапов, профессора ведущих университетов рассказывали о передовых достижениях в этой области. Еще недавно на подобных мероприятиях обсуждали лишь потенциальную возможность квантовых технологий, а на этот раз речь шла уже о практическом применении квантов в авиастроении, финансах, логистике, медицине и информационной безопасности.

Показательно, что помимо научных докладов в программе были предусмотрены мероприятия и для широкой аудитории, которую пора «приучать» к будущим изменениям. До сих пор далеко не все знают, чем обычный компьютер отличается от квантового. Основное различие в том, что классические компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а их наименьшей единицей хранения информации является бит, принимающий одно из двух значений (0 или 1).

Квантовые же компьютеры для решения задач используют квантовые биты  – кубиты. Каждый кубит принимает все значения одновременно (и 0, и 1) и может находиться одновременно в нескольких состояниях. За счет этого при вычислениях они не перебирают последовательно все возможные комбинации, а производят их практически моментально. Скорость вычислений возрастает многократно, что сокращает не только временные, но и финансовые затраты.

Неудивительно, что над созданием квантовых компьютеров работают такие гиганты IТ-рынка, как IBM, Microsoft, Google, Intel. В России с 2010 года действует Российский квантовый центр (РКЦ). В 2018 году его специалисты первыми в мире запустили квантовый блокчейн.

В 2019 году правительство РФ утвердило «дорожную карту» развития квантовых вычислений  – «Квантовые технологии». Головной организацией, ответственной за воплощение в жизнь описанных в ней проектов, стал Росатом. Предполагается, что к 2024 году в России должны появиться технологии, использующие квантовые вычисления, а в стране будет создан 100-кубитный квантовый компьютер. Перед разработчиками стоит задача построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволит работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию «дорожной карты» заложено более 23 миллиардов рублей.

Задача стоит, конечно, амбициозная. Так, 100-кубитный компьютер способен выполнять два в сотой степени операций одновременно  – то есть, по нашим меркам, практически бесконечность. Правда, несколько смущает, что об этой задаче в Росатоме объявили еще три года назад, но с тех пор громких промежуточных результатов не видно. К тому же в плане амбиций нас уже переплюнули  – в IBM к 2023 году планируют создать компьютер с более чем тысячей кубитов.

Пока же в квантовой гонке лидируют другие. Некоторое время впереди была компания Google (53 кубита), однако прошлым летом на первое место вырвались инженеры из американской компании Honeywel (64 кубита), а следом лидерство перешло к китайцам  – их компьютер Zuchongzhi оснащен 66 кубитами. Каждый лишний кубит играет большую роль  – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. Причем созданные машины уже способны решать задачи, которые у классических суперкомпьютеров отняли бы годы.

От крыльев самолета до генома человека

Словом, мощные квантовые компьютеры уже стали реальностью. Купить их в магазине, конечно, нельзя, однако эти монстры уже вовсю работают, а создавшие их компании зарабатывают серьезные деньги, продавая свои вычислительные мощности.

По данным аналитиков консалтинговой компании BCG, рынок квантовых вычислений и связанных с ними услуг в ближайшие два десятилетия будет быстро расти и к началу 2040 годов его объем достигнет 450  – 850 миллиардов долларов.

Значимая часть рынка (20  – 40%) будет связана с моделированием химических, физических и экономических процессов. Несколько меньшая часть рынка придется на технологии и продукты, связанные с машинным обучением, а также оптимизацией логистики. Менее всего перспектив у криптографической части рынка.

В России, по мнению исследователей, в ближайшие годы будут особенно востребованы вычислительные технологии, которые станут применяться для решения оптимизационных задач, в том числе в сфере финансов, страхования, логистики и в аэрокосмической отрасли.

«Квантовые технологии помогают изучать и оптимизировать нагрузки как на протяжении различных фаз полета, так и в создании воздушных судов и подготовке их к рейсам,  – объясняет менеджер по исследовательско-технологическому сотрудничеству Airbus Паоло Бьянко.  – Квантовые вычисления позволяют сокращать время проведения расчетов, что может быть особенно ценно при конструировании крыльев летательных аппаратов с учетом сложной аэродинамики. Оперативность расчетов в свою очередь способствует ускорению цикла производства судов».

В списке перспективных направлений, в которых будет полезен квантовый компьютер, оптимизация логистических задач при планировании маршрутов атомных ледоколов по Северному морскому пути, а также медицина. В частности, квантовые технологии существенно сократят время расшифровки геномов, что поможет развитию генной терапии.

На конференции ICQT-2021 ученые РКЦ вместе с исследователями из компании Genotek представили результаты совместного научного проекта по использованию квантовых компьютеров и алгоритмов в генетике, над которым работали с 2019 года. В ходе эксперимента им удалось сократить время сборки генома с помощью квантовых и квантово-вдохновленных алгоритмов на устройстве квантового отжига и российском программном эмуляторе. В качестве объекта исследования был выбран геном реального организма вирусного происхождения  – бактериофага. При этом сам алгоритм ускорения сборки генома уже есть, он универсален и может быть применим к человеку.

Правда, по словам ведущего автора исследования РКЦ Алексея Федорова, пока из-за относительно небольших мощностей текущего поколения квантового компьютера на нем можно анализировать только геном микроорганизмов. Однако с ростом производительности компьютеров ускорению в сборке может быть подвергнут и геном человека, а это окажет существенное влияние на диагностику и лечение таких заболеваний, как онкология, включая обнаружение и изучение новых типов опухолей. Кроме того, ускорение сборки генома человека с использованием квантовых компьютеров позволит применять полученные данные для оказания неотложной медицинской помощи и при анализе новых типов заболеваний, поможет развитию персонализированной медицины.

Безопасность до поры

Благодаря квантовым технологиям в мире появляется и суперзащищенная связь нового поколения. Современные люди постоянно получают и передают информацию с помощью электронных гаджетов. Любую деятельность как мелких, так и крупных компаний также сопровождает вал цифровой информации. Важно, чтобы передаваемые нами сведения не попадали к злоумышленникам. Именно такую безопасную передачу информации обеспечивают квантовые коммуникации, которые только выходят на рынок.

В июне этого года начала работу первая в России магистральная линия квантовой связи. Она протянута между Москвой и Петербургом на 700 км. Это самый длинный участок квантовой сети в Европе и второй по величине в мире. Основная задача подобных квантовых сетей заключается в быстрой и, главное, безопасной передаче данных на большие расстояния. По сути, это обычный канал связи, но сама передача данных идет по квантовым законам, с использованием фотонов. К 2024 году аналогичные линии будут протянуты до Урала и на юг России. К этому времени их общая протяженность составит 7000 км.

Строительством первого отечественного канала квантовой связи занимались специалисты ОАО «РЖД» и петербургского Университета ИТМО, который в этом году запустил новую программу магистратуры «Квантовые технологии в индустрии».

А в марте этого года в Северо-Западном федеральном округе были проведены испытания в реальной сетевой инфраструктуре исполнительных органов государственной власти (ИОГВ) и определены схемы использования квантово-криптографического комплекса для защиты данных, передаваемых между двумя городскими площадками РРЦОД ИОГВ.

В частности, Петербургский информационно-аналитический центр (ГУП «СПб ИАЦ») завершил работу по исследованию характеристик комплекса квантово-криптографической аппаратуры защиты информации в инфраструктуре городской волоконно-оптической сети передачи данных, проведенную совместно с АО «Инфотекс».

«Эта уникальная работа позволила точно определить современный технический уровень криптографических систем, применяемых для защиты информации с использованием технологии квантового распределения ключей,  – объяснили специалисты городского комитета по информатизации и связи.  – Она наглядно продемонстрировала готовность города к внедрению этой технологии в обозримом будущем, что позволит значительно увеличить защищенность государственных информационных систем Северной столицы и хранящихся в них данных».

Словом, квантовые технологии в скором времени должны сильно улучшить нашу информационную безопасность. Впрочем, это лишь до тех пор, пока эти же технологии не освоили и хакеры. К счастью, в их руки в ближайшие годы квантовые компьютеры попасть не должны  – все-таки они пока остаются слишком сложными сооружениями. Хотя ведь и обычные компьютеры всего лишь каких-то полвека назад занимали целые комнаты, а теперь умещаются в тонком корпусе смартфона...



#технологии #развитие #улучшение

Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 162 (7000) от 01.09.2021 под заголовком «На квантовом пороге».


Комментарии



Загрузка...

Самое читаемое

#
#
Новые предметы и знания. Что изменится в российских школах с 1 сентября 2019 года
26 августа 2019

Новые предметы и знания. Что изменится в российских школах с 1 сентября 2019 года

Рассказываем, что ждет учащихся уже через несколько дней.

Вода из колодца - по лицензии. На кого распространяется новый закон?
26 августа 2019

Вода из колодца - по лицензии. На кого распространяется новый закон?

С 1 января пользование скважинами и колодцами будет разрешено только по документу.

Белые – в Лосево, маслята – в Синявино. 8 самых грибных мест Ленобласти
20 августа 2019

Белые – в Лосево, маслята – в Синявино. 8 самых грибных мест Ленобласти

Помогаем не очень опытным грибникам и любителям пробовать новое разобраться, в какие леса лучше всего выходить с ножом и лукошком.

В таких туфлях лететь нельзя! Курьезные случаи с пассажирами самолетов
08 августа 2019

В таких туфлях лететь нельзя! Курьезные случаи с пассажирами самолетов

Как обувь приняли за взрывчатку, а на борт пронесли летучую мышь.

Финляндия объяснила ужесточение визовых правил для петербуржцев
05 августа 2019

Финляндия объяснила ужесточение визовых правил для петербуржцев

С первого сентября туристам надо показывать план поездки и подтверждения наличия финансовых средств.

Спасибо, нам не надо. Китай не хочет присоединяться к новому договору о ликвидации ракет
05 августа 2019

Спасибо, нам не надо. Китай не хочет присоединяться к новому договору о ликвидации ракет

Пекин еще раз официально заявил, что выступает против превращения ДРСМД в многостороннее соглашение.

Демографический сюрприз. Как меняется численность населения Петербурга и Ленобласти
02 августа 2019

Демографический сюрприз. Как меняется численность населения Петербурга и Ленобласти

В черте Северной столицы и области вызревают города-стотысячники.

Перевозчики экономят. Еще одна авиакомпания отказалась от бесплатного питания для пассажиров
08 июля 2019

Перевозчики экономят. Еще одна авиакомпания отказалась от бесплатного питания для пассажиров

На борту самолетов будут предлагаться только прохладительные напитки.

В «Сестрорецком болоте» проложат 3 км экотроп
02 июля 2019

В «Сестрорецком болоте» проложат 3 км экотроп

Здесь сохранились такие растения и мхи, которых не встретишь больше нигде в окрестностях Петербурга.

Женский вопрос. Эксперт – об использовании феминитивов в юридическом языке
25 июня 2019

Женский вопрос. Эксперт – об использовании феминитивов в юридическом языке

Суды активно используют слова «истица» и «заявительница», а слово «юристка» встречается лишь однажды.

Как грамотно уйти с работы? Советы юриста
13 июня 2019

Как грамотно уйти с работы? Советы юриста

При увольнении «по собственному» человек помимо положенной зарплаты получает лишь компенсацию за неиспользованный отпуск.

Открывайте двери! В квартирах россиян будут искать незаконную перепланировку
03 июня 2019

Открывайте двери! В квартирах россиян будут искать незаконную перепланировку

Верховный суд РФ решил: управляющая компания имеет право доступа на жилплощадь с целью проверки.