Boston Consulting Group (BCG) и Forrester рекомендуют ознакомиться с квантовыми вычислениями и начать экспериментировать с ними уже сейчас, чтобы иметь возможность отделить рекламную шумиху от реальности. Их доводы приводит портал InformationWeek.

Вокруг квантовых вычислений много разговоров. Что-то соответствует действительности, что-то нет. Например, неверно, будто квантовые компьютеры заменят классические при решении всех возможных задач. Далее, квантовые вычисления не обязательно являются синонимом квантового скачка. Они строятся на базе квантовой физики, что делает их принципиально отличными от классических бинарных вычислений. Последние оперируют только единицами и нулями. Квантовые компьютеры обладают более широкими возможностями.

Если вас пугают математика и физика, воспользуйтесь простой (хотя и не вполне корректной) аналогией классического компьютера с выключателем, а квантового — с регулятором освещенности. Выключатель имеет два состояния, регулятор — гораздо больше вариантов: лампа может включена, выключена или находиться в некоем сочетании этих двух состояний.

Если математика и физика вас не пугают, то квантовая суперпозиция гораздо более красноречиво объясняет нюансы.

Одна из причин, по которой квантовые компьютеры не заменят полностью классические, заключается в их физических требованиях. Квантовые компьютеры требуют очень низкой температуры, чтобы квантовые биты (кубиты) сохраняли когерентность. Например, система ввода/вывода квантового компьютера D-Wave должна функционировать при 0,015 ⁰К, или −273,135 ⁰C, или −459,643 ⁰F, что близко к абсолютному нулю. Классические персональные компьютеры охлаждаются с помощью вентиляторов и радиаторов, а суперкомпьютеры — с помощью циркулирующей воды. Иными словами, операционные среды квантовых и классических компьютеров очень различны. Естественно, предпринимаются попытки добиться когерентности квантов и при комнатной температуре.

Квантовые и классические компьютеры имеют фундаментальные различия. «Квантовые вычисления — это класс развивающегося оборудования и ПО, который использует субатомный феномен для решения трудных вычислительных задач», — поясняет вице-президент и главный аналитик Forrester Брайан Хопкинс.

Чего и когда ждать

Forrester утверждает, что квантовые вычисления находятся на раннем этапе коммерциализации, и этот этап продлится до 2025-2030 гг. В конце этого периода начнется рост, который продлится до 2050 г. (до конца охваченного прогнозом срока).

BCG, использовав два различных метода прогнозирования на период 2025-2050 гг., приходит к выводу, что объем рынка квантовых вычислений достигнет 263-295 млрд. долл. Квантовые вычисления пройдут три этапа развития:

  1. работа с приложениями, которые являются квантовыми по своей природе, напоминающая то, что делает D-Wave;
  2. «более интересное применение», как выразился один из авторов отчета старший партнер BCG Массимо Руссо;
  3. количество логических кубитов преодолеет порог, необходимый для достижения «квантового превосходства» (Quantum Supremacy).

«Если говорить о количестве логических кубитов, то потребуется время, чтобы понять, какие области применения мы еще не определили, — полагает Руссо. — Ближе всего молекулярное моделирование. Фармацевтика проявляет больший интерес, чем другие отрасли».

Науки о жизни, создание новых материалов, производство и некоторые проблемы логистики по ряду причин идеально подходят для квантовых компьютеров:

  • квантовая машина лучше справляется с решением проблем квантовой механики, чем классические компьютеры, даже при том, что последние могут симулировать квантовые компьютеры;
  • проблема столь сложна, что вообще не может быть решена с помощью классических компьютеров или за разумное время при разумных затратах.

Встречаются смешанные случаи, когда часть проблемы лучше решают классические компьютеры, часть квантовые. При таком сценарии классические компьютеры делят задачу на части, обмениваются информацией с квантовыми компьютерами через API-интерфейс, получают от них результаты и компонуют окончательное решение проблемы. «Представьте себе, что это сопроцессоры, решающие проблему с помощью квантовых вычислений», — предлагает Руссо.

Хотя сейчас анонсировано множество квантовых компьютеров, одни инициативы могут привести к появлению представляющих коммерческий интерес результатов лет через десять, другие — через несколько десятков лет.

Логические и физические кубиты

Между кубитами нет равенства, и это верно в двух отношениях. Во-первых, есть важное различие между логическими и физическими кубитами. Во-вторых, крупные разработчики придерживаются различных подходов к квантовым вычислениям, поэтому их кубиты могут различаться.

Когда говорят о квантовых компьютерах или полупроводниках, имеющих некое число кубитов, это относится к физическим кубитам. Их количество имеет значение потому, что с добавлением каждого нового кубита вычислительная мощность растет экспоненциально. Согласно Microsoft, калькулятор мощнее отдельного кубита, но «моделирование 50-кубитных квантовых вычислений, возможно, превзойдет по мощи существующие суперкомпьютеры».

По словам Руссо, у полупроводников соотношение физических и логических кубитов может составлять до 3000:1. Хопкинс утверждает, что ему довелось слышать цифры от 10 тыс. до 1 млн. физических кубитов и даже более. «Никто не может сказать точно, — отметил он. — Microsoft считает, что сумеет сократить количество физических кубитов, необходимых для создания логического кубита, в пять раз». Различие между физическими и логическими кубитами имеет большое значение, потому что из-за нестабильности первых необходимы дополнительные кубиты для коррекции ошибок и устойчивости к сбоям.

Добивайтесь квантового превосходства

По указанным выше причинам квантовое превосходство не означает смерти классических компьютеров. Google заявляет: «Важнейший вопрос относительно ближайшего будущего квантовых компьютеров заключается в том, смогут ли квантовые устройства без коррекции ошибок решать вычислительные задачи, превышающие возможности самых современных классических компьютеров, достигая так называемого квантового превосходства».

«Мы не собираемся моментально достичь квантового превосходства, но не намерены и отказываться от него, — сказал Хопкинс. — Превосходство — это ступенька на пути к выдаче решения. Оно будет достигаться в одной области за другой, так что мы намерены достичь квантового превосходства, которое продвигает Google, а затем квантовой ценности (Quantum Value), которую продвигает IBM, в квантовой химии, в молекулярном моделировании, управлении портфельными рисками или в финансовом арбитраже».

Было бы ошибкой считать, что квантовое превосходство означает, что квантовые компьютеры будут лучше решать любые проблемы, а следовательно, классические компьютеры обречены.

При правильном определении термина Google пытается достичь квантового превосходства с помощью своего 72-кубитного квантового процессора Bristlecone.

С чего начать

Прежде всего необходимо осознать принципиальное различие между квантовыми и классическими компьютерами. Затем выясните, что другие пытаются делать с квантовыми компьютерами и квантовым моделированием, и подумайте, какие сценарии могут использоваться в вашей организации. Не ограничивайтесь тем, что делают другие. Исходя из понимания основ квантовых вычислений и сферы деятельности вашей компании вообразите, что произойдет, если конечным результатом станет небольшая оптимизация, которая даст вашей компании конкурентное преимущество, или революционное нововведение вроде нового материала.

Эксперименты тоже важны. Не только для проверки гипотез, но и для более полного понимания, как работают квантовые компьютеры. Эксперименты могут натолкнуть на новые идеи и улучшить уже имеющиеся. И взгляните на дело с точки зрения бизнеса: какую прибыль принесет ваша работа.

Между прочим, если вы хотите приобрети опыт практической работы с квантовым компьютером, опробуйте IBM Q. IBM Q Experience включает руководства, интерактивные демонстрации, Quantum Composer, позволяющий создавать алгоритмы, работающие на реальном оборудовании для квантовых вычислений, и набор инструментов разработчика ПО QISKit.

Познакомьтесь также с Quantum Computing Playground. Это экспериментальный вариант WebGL Chrome на базе браузера, включающий ускоренный с помощью графического процессора квантовый компьютер с простым IDE-интерфейсом, собственный язык сценариев с отладкой и функции 3D-визуализации квантового состояния.

Доступна также версия Microsoft Quantum Development Kit Preview. Она включает язык Q# с компилятором, библиотеку стандартов Q#, локальный имитатор квантовой машины, имитатор трассировки квантов (trace quantum simulator), который оценивает, какие ресурсы необходимы для запуска квантовой программы, и расширение Visual Studio.

Версия для печати