Гонка за создание самого мощного компьютера в мире

Квантовые компьютеры давно расхваливают, как невероятно мощные машины, которые смогут решать необычайно сложные вычислительные задачи гораздо быстрее, чем любой компьютер, существующий сегодня. Но разработчики не могут договориться о наилучшем способе их создания. Кто победит в гонке? Ученые говорят, что сверхбыстрые квантовые компьютеры могут ускорить открытие новых лекарств, расшифровать самые сложные криптографические системы безопасности, разработать новые материалы, моделировать смены климата и достичь сверхпроизводительности искусственного интеллекта. Но в настоящее время нет единого мнения о том, как наладить их производство наилучшим образом или как сделать их доступными для массового рынка. Физики, инженеры и ученые-компьютерщики со всего мира пытаются разработать четыре совершенно разных типа квантовых компьютеров, основанных на легких частицах, захваченных ионах, сверхпроводящих кубитах или азото-замещенных вакансиях в алмазах.

Такие компании, как IBM, Google, Rigetti, Intel и Microsoft, в настоящее время находятся на острие атаки на решение проблемы создания квантовых компьютеров.У каждого метода есть свои плюсы и минусы, но основной проблемой является хрупкая природа самого кванта.

Что такое квантовые вычисления?

Вместо того, чтобы использовать единицы и нули, называемые битами, представляющие собой в самом простом понимании команды «включить» или «выключить», в длинных последовательностях, таких, как в классических вычислениях, квантовый бит, или кубит, использует свойства, близкие к магическим свойствам субатомных частиц.

Например, электроны или фотоны могут находиться в двух состояниях одновременно, явление, называемое суперпозицией. В результате компьютер на основе кубитов может выполнять гораздо больше вычислений и намного быстрее, чем обычный компьютер.

«Если бы у вас был двухкубитный компьютер, и вы добавили два кубита, он станет четырехкубитным компьютером. Но вы не удвоили мощность компьютера, вы увеличиваете ее экспоненциально», - объясняет Мартин Джайлс, глава сан-франциского бюро в Массачусетском технологическом институте

Ученые иногда описывают этот эффект квантовых вычислений, как способность идти по каждому пути в очень сложном лабиринте одновременно.

Кубиты могут влиять друг на друга, даже когда они физически не связаны, процесс, называемый «квантовая запутанность». В вычислительных терминах это дает им возможность совершать логические скачки, которые обычные компьютеры никогда не могли делать.

В поисках стабильности

Но кубиты очень неустойчивы и подвержены помехам или «шуму» от других источников энергии, что приводит к ошибкам в расчетах. Таким образом, гонка - это один из способов найти возможность стабилизации их для массового производства.

В компьютерном гиганте IBM твердо верят, что «сверхпроводящие трансмонные кубиты» наиболее перспективны для квантовых вычислений, и у них есть три прототипа квантовых процессоров, к которым общественность может получить доступ в облаке.

«На сегодняшний день более 94 000 человек получили доступ к квантовым компьютерам IBM в облаке. Проведено более пяти миллионов экспериментов и написано 110 работ», - говорит д-р Роберт Сутор, вице-президент по стратегии квантовых вычислений и экосистеме в IBM Research.

Квантовый компьютер IBM хранит сверхпроводящие кубиты при чрезвычайно низких температурах

«Люди учатся и экспериментируют ... мы надеемся, что через три-пять лет можно будет указать на один конкретный пример, чтобы утверждать, что квант значительно превосходит во всем классические компьютеры».

Но методика IBM требует, чтобы квантовый компьютер был в большом холодильнике, где кубиты хранятся при температурах, близких к абсолютному нулю, для сохранения их полезных свойств.

Это означает, что такой компьютер было бы чрезвычайно сложно миниатюризировать и, следовательно, это очень дорого обойдется.

«Похоже, что сверхпроводящие кубиты станут одними из первых технологий, позволяющих использовать полезные квантовые вычисления», - говорит Джозеф Фитцсимонс, главный исследователь Национального университета в Сингапурском центре по квантовым технологиям. «Однако у меня сложилось впечатление, что они аналогичны скорее вакуумным лампам в ранних компьютерах, а не транзисторам, которые появились позже».

Google разработал 72-битный квантовый процессор под названием Bristlecone (Остистый)

«Мы все еще ожидаем увидеть технологию, которая станет окончательным победителем».

Майкрософт и ученые из Института Нильса Бора в Копенгагене работают над тем, что, по их мнению, будет гораздо более стабильными кубитами на основе так называемых частиц майораны.

В это же время другие команды работают над улавливанием кубитов в кремнии, материале, из которого сделаны традиционные компьютерные чипы.

Ученые из Оксфордского университета ищут способы соединить между собой более мелкие кубитовые компьютеры, чем создавать крупные компьютеры с множеством кубитов.

Каков потенциал классических компьютеров?

Пока мы ждем прихода квантовых компьютеров, какое будущее ждет обычных или классических компьютеров?

В июле Эвин Тан, 18-летний выпускник по информатике и математике из Техасского университета в Остине взорвал международный компьютерный мир, разработав классический компьютерный алгоритм, который может решать задачу почти так же быстро, как квантовый компьютер.

Задача заключалась в разработке движка рекомендаций, который предлагает продукты пользователям, основываясь на данных об их предпочтениях.

Эвин Тан придумал классический алгоритм, который подражал скорости квантового компьютера

Недавно в Евросоюзе также объявили, что ведутся работы над следующим поколением компьютеров, экзамасштабного типа, которые дадут возможность делать миллиард миллиардов вычислений в секунду.

«Экзамасштабный означает 10 в 18-й степени операций в секунду», - объясняет профессор Скотт Ааронсон, теоретик компьютерных наук в университете Техаса в Остине, учивший г-на Тана. «10 в 18 степени – это очень много, но квантовые системы, которые будут способны на 10 в 1000-ой степени операций в секунду, это намного больше».

Проблема в классических компьютерах заключается в том, что мы достигаем предела, сколько транзисторов мы можем поместиться на чипе - Apple A11 умудряется втиснуть, например, до ошеломляющего числа в 4,3 миллиарда штук.

Закон Мура - каждые два года микропроцессоры становятся в два раза быстрее, используют вдвое меньше энергии и занимают вдвое меньше места – в конце концов перестает работать.

Квантовый скачок

Даже если создание стабильного массового квантового компьютера навсегда останется недостижимой мечтой, исследование уже дает интересные результаты.

«Если бы мы не инвестировали в квантовые вычисления, квантовый алгоритм, который вдохновил бы г-на Тана, не существовал бы», - говорит профессор Роберт Янг, научный сотрудник Королевского общества и директор Центра квантовых технологий Университета Ланкастера.