Готовы ли мы к революции квантовых вычислений?

Квантовая физика уже серьезно изменила нашу жизнь

Благодаря изобретению лазера и транзистора – продуктам квантовой теории – почти каждое электронное устройство, которое мы используем сегодня, является примером квантовой физики в действии. Теперь мы, возможно, находимся на грани второй квантовой революции, пытаясь использовать еще больше возможностей квантового мира.

Автор: Шохини Госе. Фото: Сандипкумар Патель/Getty Images

Квантовые вычисления и квантовая связь могут повлиять на многие сектора, включая здравоохранение, энергетику, финансы, безопасность и развлечения. По прогнозам недавних исследований, к 2030 году квантовая индустрия будет стоить несколько миллиардов долларов. Однако необходимо решить серьезные практические проблемы, прежде чем достижение такого уровня масштабного воздействия станет возможным.

Квантовое против классического

Хотя квантовой теории более ста лет, нынешняя квантовая революция основана на недавнем осознании того, что неопределенность – фундаментальное свойство квантовых частиц – может быть мощным ресурсом. На уровне отдельных квантовых частиц, таких как электроны или фотоны (частицы света), невозможно точно знать каждое свойство частицы в любой данный момент времени.

Например, GPS в вашем автомобиле может сказать вам ваше местоположение, вашу скорость и направление одновременно, и достаточно точно, чтобы вы смогли добраться до места назначения. Но квантовая GPS не может одновременно и точно отображать все свойства электрона не из-за неправильной конструкции, а потому, что это противоречит законам квантовой физики. В квантовом мире мы должны использовать язык вероятности, а не достоверности.

Читайте также: Мир после COVID-19 будет менее глобальным и урбанистским

А в контексте вычислений, основанных на двоичных цифрах (битах) нулей и единиц, это означает, что квантовые биты (кубиты) имеют некоторую вероятность того, что они равны 1, и некоторую вероятность того, что они будут равны нулю одновременно.

Такая неточность поначалу сбивает с толку. В наших обычных классических компьютерах нули и единицы связаны с включением и выключением переключателей и электронных схем. Незнание того, включены они или выключены, не имело бы большого смысла с компьютерной точки зрения. Фактически, это привело бы к ошибкам в расчетах.

Но революционная идея, лежащая в основе квантовой обработки информации, заключается в том, что квантовая неопределенность – нечеткая промежуточная «суперпозиция» 0 и 1 – на самом деле не ошибка, а особенность. Она предоставляет новые рычаги для более эффективных способов передачи и обработки данных.

Квантовая связь и квантовые вычисления в действии

Одним из результатов вероятностного характера квантовой теории является то, что квантовую информацию невозможно точно скопировать. С точки зрения безопасности это меняет правила игры. Хакеры, пытающиеся скопировать квантовые ключи, используемые для шифрования и передачи сообщений, потерпят поражение, даже если у них будет доступ к квантовому компьютеру или другим мощным ресурсам.

Это принципиально не поддающееся взлому шифрование основано на законах физики, а не на сложных математических алгоритмах, используемых сегодня. Методы математического шифрования уязвимы для взлома достаточно мощными компьютерами, а взлом квантового шифрования потребует нарушения законов физики.

Так же, как квантовое шифрование фундаментально отличается от современных методов шифрования, основанных на математической сложности, квантовые компьютеры принципиально отличаются от современных классических компьютеров. Они так же не похожи, как машина и лошадь с телегой.

Автомобиль основан на использовании иных законов физики по сравнению с лошадью. Он доставит вас к месту назначения быстрее и к новым местам, ранее недоступным. То же самое можно сказать о квантовом компьютере по сравнению с классическим компьютером. Квантовый компьютер использует вероятностные законы квантовой физики для обработки данных и выполнения вычислений новым способом.

Он может выполнять определенные вычислительные задачи быстрее и может выполнять новые, ранее невозможные задачи, такие как, например, квантовая телепортация, когда информация, закодированная в квантовых частицах, исчезает в одном месте и точно (но не мгновенно) воссоздается в другом удаленном месте. Хотя это звучит как научная фантастика, эта новая форма передачи данных может стать жизненно важным компонентом квантового Интернета будущего.

Особенно важным приложением квантовых компьютеров может быть моделирование и анализ молекул для разработки лекарств и материалов. Квантовый компьютер уникально подходит для таких задач, потому что он будет работать по тем же законам квантовой физики, что и моделируемые им молекулы. Использование квантового устройства для моделирования квантовой химии может быть намного более эффективным, чем использование самых быстрых классических суперкомпьютеров сегодня.

Квантовые компьютеры также идеально подходят для решения сложных задач оптимизации и быстрого поиска несортированных данных. Это может быть актуально для многих приложений, от сортировки климатических данных, данных о состоянии здоровья или финансов до оптимизации логистики цепочки поставок, управления персоналом или транспортного потока.

Подготовка к квантовому будущему

Квантовая гонка уже началась. Правительства и частные инвесторы во всем мире вкладывают миллиарды долларов в квантовые исследования и разработки. Было продемонстрировано спутниковое распределение квантовых ключей для шифрования, что заложило основу для потенциальной глобальной сети связи, основанной на квантовой безопасности. IBM, Google, Microsoft, Amazon и другие компании вкладывают значительные средства в разработку крупномасштабного аппаратного и программного обеспечения для квантовых вычислений.

Пока никто не стал первым. Хотя маломасштабные квантовые компьютеры уже работают, основным препятствием на пути к расширению технологии является проблема устранения ошибок. По сравнению с битами, кубиты невероятно хрупкие. Даже малейшего повреждения со стороны внешней среды достаточно, чтобы уничтожить квантовую информацию.

Вот почему большинство современных машин необходимо тщательно экранировать в изолированной среде, работающей при температурах намного ниже, чем в открытом космосе. Несмотря на то, что теоретическая основа для квантовой коррекции ошибок была разработана, ее энерго- и ресурсосберегающая реализация сопряжена со значительными инженерными проблемами.

Учитывая текущее состояние отрасли, неясно, когда и будут ли доступны все возможности квантовых вычислений. Даже в этом случае бизнес-лидерам следует подумать о разработке стратегий для решения трех основных задач:

1. Планирование квантовой безопасности. Текущие протоколы шифрования данных уязвимы не только для квантовых компьютеров будущего, но и для все более мощных классических компьютеров. Новые стандарты шифрования (классические или квантовые) неизбежны. Переход на квантово-безопасную архитектуру и вспомогательную инфраструктуру для защиты данных потребует планирования, ресурсов и квантовой экспертизы. Даже если квантовые компьютеры появятся через десять лет, ждать до тех пор, чтобы адаптироваться, было бы слишком поздно. Пришло время начать процесс.

2. Выявление вариантов использования. Никто не мог предсказать бесчисленное множество способов, которыми классические компьютеры влияют на все аспекты нашей жизни. Не менее сложно прогнозировать квантовые приложения. Вот почему, чтобы полностью использовать потенциал квантовых вычислений, руководители предприятий и эксперты в различных секторах, таких как здравоохранение, финансы или энергетика, должны взаимодействовать с квантовыми исследователями и инженерами по аппаратному и программному обеспечению. Это будет способствовать разработке отраслевых квантовых решений, адаптированных для доступных в настоящее время квантовых технологий или для будущих масштабируемых квантовых вычислений. Междисциплинарный опыт и обучение будут иметь решающее значение для создания и развития квантовых приложений.

3. Ответственное мышление. Кто будет разрабатывать квантовые технологии и иметь доступ к ним, и как пользователи будут взаимодействовать с ними? Влияние искусственного интеллекта и блокчейна продемонстрировало необходимость учитывать социальные, этические и экологические последствия новых технологий. Квантовая индустрия только зародилась. Это дает редкую возможность внедрить инклюзивные практики с самого начала и построить ответственную и устойчивую дорожную карту для квантовых вычислений.

Быстрый рост сектора квантовых технологий за последние пять лет был захватывающим. Но будущее остается непредсказуемым. К счастью, квантовая теория говорит нам, что непредсказуемость – не обязательно плохо. Фактически, два кубита могут быть соединены вместе таким образом, что по отдельности они остаются неопределенными, но вместе они идеально синхронизированы – либо оба кубита равны 0, либо оба равны 1.

Эта комбинация совместной определенности и индивидуальной непредсказуемости – явление, называемое запутанностью. Это мощное «топливо», которое движет многими алгоритмами квантовых вычислений. Возможно, это также послужит уроком для построения квантовой индустрии. За счет ответственного планирования и принятия во внимание неопределенности будущего предприятия могут повысить свои шансы быть готовыми к квантовому будущему.

Источник: hbr.org