Les paradoxes et les mystères de la physique quantique excitent longtemps l'esprit des scientifiques. Aujourd'hui, sur la base des propriétés inhabituelles des particules quantiques, de nouveaux instruments et dispositifs sont en cours de construction, dont les caractéristiques peuvent être plusieurs fois supérieures à celles des analogues classiques.
Alexey Fedorov, directeur scientifique du groupe des technologies de l'information quantique au RCC, a adressé une histoire sur les événements de «l'industrie quantique» au personnel d'Acronis. Dans cet article, nous fournissons une transcription de sa conférence sur les technologies quantiques avec des ajouts pour partager des données utiles et intéressantes avec les abonnés Acronis sur Habrahabr.
Des projets à grande échelle sont mis en œuvre aux États-Unis, en Europe, en Chine et en Russie. Le plus grand intérêt est un ordinateur quantique - non seulement les universités sont impliquées dans la course à sa construction, mais aussi les grandes entreprises, dont Google, IBM, Microsoft et Intel. On prévoit que les ordinateurs quantiques peuvent révolutionner de nombreuses façons, par exemple en protégeant l'information, l'intelligence artificielle et en modélisant de nouveaux matériaux.
Dans le contexte moderne, les technologies quantiques sont des méthodes de contrôle d'objets quantiques individuels, tels que des atomes, des photons, des électrons, des ions, etc. Contrairement aux systèmes classiques, qui sont toujours dans l'un des états possibles, les systèmes quantiques peuvent être dans un état de superposition quantique: être simultanément dans tous les états admissibles. Un exemple de la différence entre le monde classique et le monde quantique peut être une pièce de monnaie. Vous pouvez définir deux états pour une pièce - un aigle ou une queue - et les coder en 0 et 1. Ensuite, une pièce classique peut être soit dans l'état 0 soit dans l'état 1. Deux pièces - dans l'un des 4 états possibles à la fois. Quatre pièces sont dans l'un des 16 États. Dix pièces sont dans l'un des 1024 états.
Le principe de superposition permet à une «pièce quantique» d'être non seulement strictement un aigle ou des queues, mais aussi d'être dans un nombre infini d'états «intermédiaires» entre l'aigle et les queues. Il sera plus précis de dire qu'une pièce de monnaie quantique peut être dans un état d'aigle et de queue en même temps. Dans ce cas, deux alternatives incompatibles du point de vue classique (une pièce lâchée par un aigle et une pièce lâchée par un carrelage) semblent se chevaucher à l'intérieur d'un même état quantique. C'est ce que les scientifiques appellent la superposition quantique, et le fait que notre cerveau, qui a grandi dans le monde classique, n'est même pas capable d'imaginer - vous ne pouvez que vous y habituer. De plus, afin de décrire complètement une telle superposition quantique, deux nombres complexes correspondant à chacune des alternatives classiquement distinguables sont nécessaires. Deux «pièces quantiques» peuvent être dans une superposition de 4 états. Et 10 "pièces quantiques" sont dans une superposition de 1024 états. Ces «pièces quantiques» sont appelées qubits - des analogues quantiques de bits d'information. Pour décrire un système de n qubits, 2 ^ n nombres complexes sont nécessaires.
La principale caractéristique de l'informatique quantique est précisément ceci: avec une augmentation du nombre de qubits, le nombre de paramètres que nous opérons dans les calculs croît de façon exponentielle. S'il y a même 50 qubits, le nombre de nombres complexes nécessaires pour décrire leur état - 2 ^ 50 - sera si grand qu'il sera impossible de modéliser avec précision un tel système même sur le supercalculateur le plus puissant. Un tel seuil est l'une des explications possibles du phénomène appelé suprématie quantique (suprématie quantique ou avantage quantique): la possibilité d'utiliser un ordinateur quantique pour résoudre des problèmes qui ne sont pas capables des ordinateurs classiques existants.
Quête quantique et course quantiqueCependant, la construction d'un tel ordinateur n'est pas facile. Pour ce faire, vous devez résoudre toute une «quête» de gestion de la matière quantique. Actuellement, de nombreux laboratoires dans le monde développent de nouvelles méthodes de gestion des objets quantiques. Une course quantique se déroule à la fois parmi les entreprises et dans la communauté scientifique. Les principaux développeurs introduisent de plus en plus de nouvelles solutions. Mais la course quantique est d'une importance fondamentale - au-delà du seuil de la suprématie quantique, de nouvelles découvertes nous attendent dans des domaines de la physique complètement différents: de la physique des basses températures à la physique des hautes énergies. En outre, les ordinateurs quantiques ont également un grand potentiel pour résoudre des problèmes pratiques, par conséquent, les entreprises se sont associées à son développement.
Quelle est la quête pour gérer la matière quantique? D'une part, il est nécessaire d'avoir un nombre de qubits suffisamment important pour fournir un grand espace d'états, mais, d'autre part, il est nécessaire de contrôler chaque qubit individuellement. Il est clair que plus le système est grand, plus il est difficile à gérer au niveau des composants individuels individuels. Ceci est particulièrement important pour la physique quantique, mais, si vous y réfléchissez, cela s'applique à d'autres domaines de l'activité humaine. Par exemple, si vous voulez créer une entreprise énorme et cool, vous devrez embaucher beaucoup de gens talentueux. Mais plus ces personnes sont nombreuses, plus leurs interactions seront difficiles et plus il sera difficile de les contrôler :-)
Dans le monde quantique, trouver un équilibre entre échelle et prévisibilité est aujourd'hui le plus grand défi. Mais, après l'avoir surmonté, nous serons en mesure de développer de puissants ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes intéressants. Par exemple, IBM utilise le terme volume quantique - il s'agit du nombre de qubits par nombre d'erreurs dans l'opération. Il s'agit d'une mesure très évidente, elle montre qu'il ne suffit pas simplement de dire combien de qubits sont dans le système, le degré de contrôle sur eux est également important, ce qui permet d'éviter les erreurs. Pour la croissance du volume quantique, la croissance de la quantité et de la «qualité» des qubits est nécessaire.
Il faut toujours garder à l'esprit que la probabilité d'erreurs est une propriété intégrale du «fer» quantique. Par conséquent, en parlant de qubits, il est nécessaire de séparer les qubits physiques et les qubits logiques. Les qubits physiques sont des atomes réels ou des chaînes supraconductrices, des éléments dits «estampés». Les qubits logiques sont les objets sur lesquels il existe un contrôle réel, et ils sont accessibles avec des paramètres fixes sans erreurs. Les capacités de calcul d'un ordinateur quantique sont finalement déterminées par le nombre de qubits logiques qui fonctionnent parfaitement. En termes de volume quantique, cela peut être compris comme suit: si le niveau d'erreurs est nul, alors les capacités de calcul supplémentaires (volume quantique) augmentent en raison d'une augmentation du nombre de qubits logiques.
Si nous parlons d'avancées dans le domaine du travail des ordinateurs quantiques, nous ne pouvons que mentionner l'ordinateur IBM à 50 qubits. Il est devenu l'un des premiers ordinateurs quantiques de cette ampleur. Le «cheval de bataille» d'IBM en matière d'ordinateurs quantiques est les qubits supraconducteurs, qui doivent être refroidis à des températures très basses pour leur travail. Dans le processeur quantique IBM, le contrôle individuel de chaque qubit n'est pas implémenté et le niveau d'erreurs est assez élevé, mais la puce elle-même existe déjà. IBM possède également des ordinateurs quantiques ouverts à 5 et 16 qubits que tout le monde peut utiliser sur Internet. De plus, dans quelques années, la société prévoit de réaliser un système à 100 qubits. Récemment, IBM a annoncé l'ordinateur quantique intégré IBM System One, qui est un appareil complet qui ne nécessite pas, selon les développeurs, de conditions de travail particulières - cela rapproche cependant un tel système des utilisateurs, tout en résolvant des tâches pratiquement importantes et demandées à l'aide d'un tel ordinateur jusqu'à présent. c'est difficile de parler.
Intel est au bord du même jalon de 50 qubits, mais utilise une technologie différente pour créer des qubits. Et c'est bien, car si l'une des entreprises rencontre des problèmes dans la mise en œuvre de son approche, la seconde continuera de progresser.
Le leader de la course quantique aujourd'hui est Google, qui a démontré un ordinateur quantique à 72 qubits. La technologie de base de Google est la même que celle d'IBM - les qubits supraconducteurs. Un groupe de scientifiques et de développeurs de Google a également publié un certain nombre d'articles scientifiques décrivant les approches pour atteindre l'excellence quantique. Ainsi, dans un avenir proche, la société devrait faire preuve de supériorité quantique à l'aide de son processeur quantique développé.
Un système de 51 qubits a également été créé dans la communauté universitaire - cela a été possible pour le groupe de Mikhail Lukin (diplômé de Fiztekh et chef du Conseil consultatif international du Russian Quantum Center) basé sur des atomes neutres ultra-froids, ainsi qu'un système de 53 qubits du groupe de Christopher Monroe de l'Université du Maryland, qui a également Il est le fondateur d'IonQ, une société développant un ordinateur quantique commercial basé sur les ions. Soit dit en passant, IonQ n'est pas le seul exemple de démarrage dans le domaine de l'informatique quantique - il y en a maintenant plus d'une douzaine.
De toute évidence, la Chine a un grand potentiel dans le domaine quantique. «Celestial» porte des plans grandioses, prévoyant de construire le plus grand ordinateur quantique, et les développeurs ont déjà 12 milliards de dollars pour créer le National Quantum Laboratory.
La société D-Wave est quelque peu à part. Le processeur D-Wave a des milliers de qubits, mais ils fonctionnent dans un mode différent - le mode de recuit quantique. Cela vous permet de résoudre à l'aide d'un tel ordinateur, en fait, une seule tâche. Malgré le fait que des entreprises telles que Google et Volkswagen travaillent déjà avec D-Wave, il y a des débats houleux sur les avantages d'un tel ordinateur quantique.
Côté appliqué du problème
Malgré tous les efforts, aujourd'hui, les ordinateurs quantiques ne résolvent pas de nombreux problèmes pratiques, mais le potentiel semble impressionnant. Maintenant, le développement de l'informatique quantique va dans deux directions:
- Ordinateurs quantiques spécialisés qui visent à résoudre un problème spécifique spécifique, par exemple, des problèmes d'optimisation. Un exemple de produit est les ordinateurs quantiques D-Wave.
- Ordinateurs quantiques universels - qui sont capables d'implémenter des algorithmes quantiques arbitraires. Aujourd'hui, il n'y a que de petits prototypes d'ordinateurs quantiques universels - Google, IBM et Intel travaillent dans ce sens. Ils jettent les bases, mais jusqu'à présent ne permettent pas de faire quelque chose à grande échelle et ne savent pas comment faire face aux erreurs.
Dans tous les cas, les ordinateurs quantiques permettent de fonctionner avec un grand espace d'états, ce qui peut être utile, par exemple, pour résoudre des problèmes de recherche, optimiser divers processus et modéliser des systèmes complexes.
Étant donné qu'IBM propose à tout le monde d'utiliser un ordinateur quantique, les programmeurs quantiques modernes se forment déjà à l'assemblage de tâches et à leur exécution sur de petits ordinateurs quantiques. Par exemple, pour rechercher dans une base de données non ordonnée, l'algorithme quantique a un avantage quadratique. Dans une telle tâche, une base de données non ordonnée peut être représentée comme une sorte de «boîte noire», à laquelle les demandes sont envoyées (adresses des éléments de cette base de données), et une boîte noire leur répond «oui» ou «non» (l'élément est-il situé à adresse donnée, demande requise). Imaginez que dans certaines bases de données, l'adresse de chaque élément se compose de n bits, et dans cette base de données, il n'y a qu'un seul élément qui remplit certaines conditions. Pour trouver cet élément, en moyenne, nous avons besoin d'environ 2 ^ n requêtes (plus précisément, 2 ^ (n-1)), car en raison du désordre de la base de données, il ne nous reste plus qu'à trier séquentiellement toutes les adresses possibles (dont 2 ^ n pièces) jusqu'à ce que nous soyons enfin chanceux et arrivions au bon élément. Si nous avons un analogue quantique d'une telle boîte noire (on l'appelle aussi «l'oracle quantique»), pour obtenir une réponse, nous avons besoin d'environ 2 ^ (n / 2) requêtes. L'avantage de "l'algorithme d'énumération quantique", nommé d'après L. Grover, est dû à la possibilité de poser plusieurs questions à la boîte quantique en même temps - pour former une superposition de requêtes.
Il est important de noter que la tâche de recherche dans une base de données non ordonnée est de nature universelle - presque toute autre tâche (y compris NP-complete) peut y être réduite. Cependant, pour le résoudre, le nombre de requêtes devra croître exponentiellement avec la complexité de la tâche (dans l'exemple considéré, le paramètre n lui correspondait). Ainsi, vous ne devez pas traiter un ordinateur quantique comme un outil omnipotent capable de résoudre des problèmes de calcul arbitraires avec une accélération exponentielle. Dans certains cas, ses capacités seront beaucoup plus modestes.
Néanmoins, un grand potentiel est déjà évident aujourd'hui pour des problèmes dans le domaine de la chimie quantique. Par exemple, dans l'industrie, le calcul des paramètres des composés chimiques et la modélisation des réactions chimiques sont demandés. Lorsque nous utilisons des ordinateurs classiques, nous manquons de capacités et devons souvent faire des compromis avec précision. Les ordinateurs quantiques peuvent aider à déterminer en détail les chaînes de réaction, la dynamique des processus, à trouver des catalyseurs pour les réactions souhaitées - tout cela est très utile! L'un des problèmes les plus discutés aujourd'hui est la production d'ammoniac. Ce composé est activement utilisé dans les engrais pour les plantes, et 1 à 2% de toute l'énergie de la terre est dépensée pour sa production (données du Quantum Computing Report et BP). Si, à l'aide d'un ordinateur quantique, il était possible d'optimiser le processus de production d'ammoniac grâce à la connaissance précise de tous les paramètres, il aurait déjà remboursé tous les investissements réalisés dans le développement des technologies (rappelez-vous, 1-2% de l'énergie mondiale).
Récemment, à la jonction de la physique quantique et de l'apprentissage automatique, une nouvelle direction a émergé - l'apprentissage automatique quantique ou, comme on dit souvent, l'IA quantique. Il est important que la supériorité d'un ordinateur quantique sur les ordinateurs classiques dans les problèmes d'apprentissage automatique ne nécessite pas un ordinateur quantique à part entière et multi-qubit. À l'aide d'un ordinateur quantique, par exemple, il sera possible d'accélérer des éléments individuels d'algorithmes d'apprentissage automatique, ainsi que d'accélérer le processus d'apprentissage. Au cours des dernières années, chez Google, l'apprentissage automatique quantique est considéré comme l'un des principaux domaines dans tout le domaine de la technologie quantique.
Ce n'est pas qu'une question de matériel
Pour la prochaine percée, cependant, non seulement le fer est nécessaire, mais aussi de nouveaux algorithmes quantiques rapides. Il y a des progrès notables. Par exemple, pour étudier le composé Fe2S2 à l'aide d'algorithmes de chimie quantique, il a fallu trente ans plus tôt lors de l'analyse sur un ordinateur quantique. En recherchant un algorithme plus optimal, ce temps a été réduit à 2 minutes, en tenant compte de l'utilisation du même fer.
Cependant, les algorithmes quantiques ne sont toujours pas suffisants. Bien qu'il n'en reste que quelques dizaines, et pour le développement complet du domaine de l'informatique quantique, il devrait y avoir beaucoup plus d'algorithmes.
Peurs et technologies de la sécurité de l'information
Un ordinateur quantique a deux faces: sombre et claire. Jusqu'à présent, nous avons parlé du côté positif - résoudre des tâches pratiquement exigées qui ne peuvent pas être résolues à l'aide d'ordinateurs classiques. Mais il y a un côté sombre: un ordinateur quantique résout le problème de la factorisation beaucoup mieux qu'un ordinateur classique. La complexité de cette tâche, comme vous le savez, est l'une des bases pour garantir la persistance d'algorithmes de cryptographie à clé publique courants. Le problème de la factorisation est extrêmement difficile pour un ordinateur classique, et sur un ordinateur quantique, il peut être efficacement résolu en utilisant l'algorithme Shore. Par exemple, la rupture d'une clé RSA 1024 bits prendra des millions d'années de calcul continu sur des ordinateurs classiques, tandis que sur un ordinateur quantique, ce problème sera résolu en 10 heures (en supposant que chaque opération quantique est de 10 ns et qu'un ordinateur est disponible à partir d'un nombre suffisant de qubits logiques). Jusqu'à présent, les ordinateurs quantiques ne permettent rien de pirater - après tout, la cryptanalyse RSA nécessite plusieurs milliers de qubits contrôlés. Et bien qu'il n'existe pas encore d'ordinateur potentiellement dangereux, la communauté envisage déjà de le protéger contre d'éventuels problèmes à l'avenir.
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