Шаг в непостижимое: зачем нужны квантовые компьютеры

Компьютеры существуют не в вакууме. Они служат для решения проблем, и тип проблем, которые они могут решить, зависит от их аппаратного обеспечения. Графические процессоры предназначены для воспроизведения изображений, процессоры искусственного интеллекта для ИИ… а вот для чего нужны квантовые компьютеры?

Хотя мощность квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существующее программное обеспечение на квантовых компьютерах работает в миллиард раз быстрее. Скорее, существуют типы проблем, которые квантовые компьютеры решают хорошо, и проблемы, которые они решают плохо. Вот несколько основных сфер применения таких машин, которые мы вскоре увидим, когда они станут коммерчески доступными.

Искусственный интеллект

Основной областью применения для квантовых вычислений считается искусственный интеллект (ИИ). ИИ опирается на принцип обучения на собственном опыте: он становится все более точным благодаря обратной связи, которая поступает, пока компьютерная программа не проявит «интеллект».

Эта обратная связь основана на вычислении вероятностей множества возможных вариантов, и поэтому ИИ — это идеальный кандидат для квантовых вычислений. Он обещает перевернуть каждую отрасль, от автомобилестроения до медицины, и говорят, что ИИ в XXI веке будет тем, чем было электричество в XX-м.

Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для тестирования программного обеспечения автопилота, которое в настоящее время слишком сложно для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки софта, который сможет отличать автомобили от объектов на местности. Мы уже достигли точки, где ИИ порождает ИИ, и поэтому его значимость будет быстро возрастать.

Молекулярное моделирование

Другим примером служит точное моделирование молекулярных взаимодействий, нахождение оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложна, что сегодняшние компьютеры могут анализировать только простейшие молекулы.

Химические реакции — квантовые по своей природе, поскольку они образуют сильно запутанные квантовые суперпозиционные состояния. Но квантовые компьютеры не будут испытывать трудностей с оценкой даже самых сложных процессов.

Google уже совершила прорыв в эту область, имитируя энергию молекул водорода. В результате были получены более эффективные продукты — от солнечных элементов до фармацевтических препаратов, — и в особенности это повлияло на производство удобрений. Поскольку на производство удобрений уходит 2% мировой энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут значительными.

Криптография

Сегодня сетевая безопасность основывается по большому счету на сложности разложения больших чисел на простые. Чтобы «взломать код», цифровым компьютерам нужно перебрать все возможные варианты. Это требует огромного количества времени, что делает эту операцию дорогостоящей и непрактичной.

Квантовые компьютеры могут выполнять такое разложение на порядки более эффективно, чем цифровые компьютеры, а это означает, что такие методы безопасности скоро устареют. Новые методы криптографии разрабатываются, но это может занять некоторое время: в августе 2015 года АНБ приступило к внедрению списка методов устойчивой криптографии, которые бы противостояли квантовым компьютерам, а в апреле 2016 года Национальный институт стандартов и технологий начал процесс общественной оценки таких методов, который займет от четырех до шести лет.

Существуют также перспективные методы квантового шифрования, которые разрабатываются с использованием односторонней природы квантового сплетения. В ряде стран уже есть сети на этой основе, способные работать в масштабе городов, а китайские ученые недавно объявили, что успешно отправили сплетенные фотоны с орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле.

Финансовое моделирование

Современные рынки — одни из самых сложных существующих систем. Хотя мы разработали еще более научные и математические инструменты для решения этой проблемы, по-прежнему существует одно существенное отличие от других научных областей: у нас нет контролируемых параметров, позволяющих проводить эксперименты.

Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Первейшее преимущество их заключается в том, что случайность, присущая квантовым компьютерам, сравнима с вероятностной природой финансовых рынков. Инвесторы часто хотят оценить возможные результаты при чрезвычайно большом количестве сценариев, сгенерированных наугад.

Еще одно преимущество квантовых решений заключается в том, что для таких финансовых операций, как арбитраж, может потребоваться множество шагов, обусловленных предыдущими действиями, и поэтому количество вариантов быстро опережает способности традиционного компьютера.

Прогноз погоды

Главный экономист Национального управления океанических и атмосферных исследований США Родни Вейер утверждает, что почти 30% ВВП страны ($6 трлн) прямо или косвенно зависят от погоды, что в том числе сказывается на производстве продуктов питания, транспортировке и розничной торговле. Возможность лучше прогнозировать погоду принесет огромную пользу во многих сферах, не говоря о том, что это даст больше времени, чтобы укрыться от стихийных бедствий.

Ученые давно над этим работают, но уравнения, регулирующие такие процессы, содержат так много переменных, что делает классическое моделирование весьма долгим. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для проведения такого анализа может занять больше времени, чем требуется для наступления этой погоды!» Это побудило Ллойда и его коллег из Массачусетского технологического института показать, что уравнения, управляющие погодой, обладают скрытой волновой природой, и могут быть вычислены квантовым компьютером.

Технический директор Google Хартмут Невен также отмечает, что квантовые компьютеры могут помочь в создании более адекватных моделей климата, которые могли бы дать нам больше информации о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы строим наши оценки будущего потепления и определяем, какие шаги необходимо предпринять сейчас для предотвращения стихийных бедствий. Национальная метеорологическая служба Великобритании уже начала инвестировать в подобные инновации.

Физика элементарных частиц

Еще одним применением этой захватывающей новой физики может стать… изучение захватывающей новой физики. Модели физики элементарных частиц часто необычайно сложны и требуют огромной вычислительной мощности. Это делает их идеальным объектом для квантовых вычислений, и исследователи уже воспользовались этим.

Исследователи из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для такого моделирования. Команда использовала простую версию квантового компьютера, в котором ионы выполняли логические операции. 

«Квантовые вычисления и реальные эксперименты прекрасно дополняют друг друга, — говорит физик-теоретик Питер Золлер. — Мы не можем заменить эксперименты, которые выполняются с помощью коллайдеров частиц. Однако, развивая квантовые симуляторы, мы однажды сможем лучше понять эти эксперименты».

Теперь инвесторы пытаются встроиться в экосистему квантовых вычислений, а это не только компьютерная индустрия: в число тех, кто использует эту вычислительную революцию, входят банки, аэрокосмические компании и фирмы кибербезопасности.

Этот список далеко не исчерпывающий, и это самая захватывающая часть. Как обычно бывает с новыми технологиями, по мере развития аппаратного обеспечения будут появляться невообразимые на сегодня области применения квантовых вычислений.

Оригинал