CC BY
82
Перспективы квантовых компьютеров: от истоков к настоящему состоянию The Perspectives of Quantum Computers: From Origins to the Present
Завтонова Алина Вячеславовна
Студент 3 курса СЗИУ РАНХиГС при Президенте РФ
Санкт-Петербург, Россия al. tron999@yandex. ru
Zavtonova Alina Vyacheslavovna
3st year Bachelor Student of the North-West Institute of Management ofRANEPA
Saint Petersburg, Russian Federation) al.tron999@yandex. ru
Сибирякова Александра Ивановна
Студент 3 курса СЗИУ РАНХиГС при Президенте РФ
Санкт-Петербург, Россия sibiryakova01@mail. ru
Sibiryakova Alexandra Ivanovna
3st year Bachelor Student of the North-West Institute of Management of RANEPA
Saint Petersburg, Russian Federation) sibiryakova01 @mail.ru
Аннотация.
Рассматриваются теоретические основы работы квантового компьютера, особенности обработки информации и сложности практической реализации.
Обсуждаются этапы развития квантовых вычислений от идеи до реальных разработок в мире и в России. Только в 2009 году было опубликовано исследование, которое действительно смогло доказать превосходство квантового компьютера над классическим. Сейчас же ведется активная подготовка общества к появлению полноценных квантовых компьютеров, доступных всем: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений. В России разработка данных технологий ведется под контролем Росатома и Российского квантового центра.
Неоднозначно оцениваются перспективы использования квантовых вычислений в различных областях. Введение квантовых компьютеров в медицину откроет путь к разработке новых лекарств, что значительно улучшит качество жизни людей. Станет возможным более качественно изучать мозг и вылечить болезни Паркинсона и Альцгермера. Применяя квантовые технологии в управлении, можно создать надежную защиту для Интернета вещей, более эффективно развивать инфраструктуру. Но в военном деле сочетание искусственного интеллекта и квантовых технологий может привести к созданию абсолютно нового оружия массового поражения.
Annotation.
The article discusses the theoretical foundations of a quantum computer, the features of information processing and the complexity of practical implementation.
They are also discussed the stage of development of quantum computing from idea to real developments in the world and in Russia. Only in 2009 a study that was able to prove the superiority of a quantum computer over a personal computer had been published. Now, society is actively preparing for the emergence of full-fledged quantum computers that will be available to everyone. Scientists are creating new standards, roadmaps, market entry strategies and the scope of quantum computing. In Russia, the development of these technologies is carried out under the control of Rosatom and the Russian Quantum Center.
The prospects for the use of quantum computing is differently discussed in fields. The use of quantum computers in medicine will develop new drugs that will significantly improve the quality of people's life. It will be possible to study the brain and cure Parkinson's and Alzheimer's diseases. In public administration, quantum technologies will help to create reliable protection for the Internet of Things, an efficient infrastructure. But in military affairs, the combination of artificial intelligence and quantum technologies could lead to the creation of completely new weapons of mass destruction.
Ключевые слова: Квантовый компьютер; квантовые технологии; квантовые алгоритмы; квантовые вычисления; квантовая химия; кубит; персональный компьютер; большие данные; криптография; информационная безопасность.
Key words: Quantum computer; quantum technologies; quantum algorithms; quantum computing; quantum chemistry; qubit; personal computer; Big Data; cryptography; information security.
Информационно - коммуникационные технологии всё больше внедряются в нашу жизнь, у этого есть свои плюсы и минусы. С одной стороны расширились возможности дистанционной коммуникации, но с другой стороны, люди стали меньше контактировать вживую.
Компьютеры, работающие с двоичным кодом, стали обыденностью, так как они окружают нас в течение последних нескольких десятков лет. Примерно такое же время квантовые компьютеры существуют где -то на границе теоретического и только начинающегося реального. Неизвестно, произойдет ли на наших глазах сейчас взлет квантовых компьютеров или им так и суждено остаться в этом полутеоретическом-полуэкспериментальном состоянии.
Законы квантовой механики позволяют создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые будут решать задачи, на данный момент недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Сегодня квантовый компьютер можно назвать технологией будущего и поэтому изучение данной темы является особенно актуальным.
Для начала нужно разобраться, что такое квантовый компьютер. Согласно определению журнала Quantum Information: «Квантовый компьютер — это устройство, хранящее и обрабатывающее информацию внутри группы квантовых систем, каждая из которых, как правило, является двухуровневой и называется «квантовый бит» или «кубит» (англ. «qubit» — quantum bit)».
Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем привычные нам - классические. Начнем с того, что классический компьютер хранит информацию в двоичном коде и наименьшей единицей хранения принято считать бит. При решении поставленной задачи, привычный нам персональный компьютер, проводит множество последовательных операций с битами, которые занимают большое количество времени. Квантовый компьютер для решения любых алгоритмических задач использует квантовые биты — кубиты, которые требуют на выполнение значительно меньше времени [3, с.190].
Свою историю квантовые компьютеры начали еще в СССР. В 1973 году математик А.С.Холево опубликовал свою работу, доказывающую, что квантовые биты (кубиты) могут хранить информации больше, чем обычные биты. Позже, в 1980 году идею создания квантовых компьютеров выдвинул еще один советский математик - Ю.Н.Манин в своей книге «Вычислимое и невычислимое». Однако широкую огласку квантовые компьютеры получили годом позже, когда о них заговорил небезызвестный американский физик Ричард Фейнман. В своем докладе на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, он отметил, что невозможно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом. Фейманом была предложена элементарная модель квантового компьютера, который будет способен провести такое моделирование.
После этого ученые со всего мира стали интересоваться квантовыми симуляторами, которые могут быть использованы для успешного моделирования физических явлений в более сложных системах.
В 1996 американском математиком Ловом Гровером был предложен такой квантовый алгоритм решения задач, который теоретически способен ускорить поиск необходимых данных в огромном количестве неупорядоченной информации. Позднее в 1998 году, этот алгоритм был реализован с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Однако было доказано, что такие компьютеры не имеют значительного преимущества над классическими.
И только в 2009 году было опубликовано исследование, которое действительно смогло доказать превосходство квантового компьютера. В данном исследовании ученые использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода. Было доказано, что эта задача непосильна для классического
компьютера, зато с ней с легкостью справился квантовый, тем самым закрепив за собой полезный для человечества результат.
Переходя к нашему десятилетию, основные направления по которым работают ученые - это квантовые компьютеры, которые решают одну конкретную задачу и универсальные квантовые компьютеры, специализирующиеся на произвольных квантовых алгоритмах.
Здесь стоит упомянуть исследование Google, который в 2019 году заявил о следующем достижении квантового компьютера: ему потребовалось всего 200 секунд, чтобы выполнить серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет.
Сейчас же ведется активная подготовка общества к появлению полноценных квантовых компьютеров, доступных всем: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений. В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра. Данная карта была разработана с целью получения практически-значимых научно-технических и практических результатов по следующим направлениям:
• Квантовые вычисления
• Квантовые коммуникации
• Квантовые сенсоры
Стоит отметить, что развитие квантовых технологий соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, Стратегии развития информационного общества российской федерации и указу Президента РФ «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года». Так, например, квантовые вычисления используются для решения задач индустрии (рисунок 1).
Рисунок 1. Квантовые вычисления для решения задач индустрии к 2024 г.
Также, в настоящее время мы можем испытывать острую необходимость в квантовом компьютере тогда, когда перед нами встает задача в исследовании сложных систем, подобных биологическим. Квантовые частицы делают квантовый компьютер уникальным, потому что возрастает скорость решения задач.
Еще квантовые компьютеры могут построить такие системы коммуникации, которые защищены от прослушивания. Это актуально в современных реалиях, когда велик риск воздействия на устройство вредоносных программ.
Идеи и реализация квантовых компьютеров.
В развитие квантовых технологий вкладывается огромное количество средств. Технологически успешные страны создают специальные государственные программы поддержки квантовых технологий. Например, в России в 2020 году была утверждена программа «Квантовые вычисления». По заявлению вице-премьера Дмитрия Чернышенко: «Правительство ускоряет развитие квантовых технологий. По итогам 2020 года страна поднялась на один пункт в международной шкале Quantum Technology Readiness Levels, отражающей уровень развития технологий квантовых вычислений. Правительство готово оказывать активную помощь российским исследователям - еще одним шагом может стать создание единой цифровой платформы по квантовым технологиям для обмена команд опытом и наработками. Также мы понимаем запрос на высококвалифицированные кадры по данному направлению, готовы создать условия для их привлечения» [1].
В квантовых технологиях заинтересованы не только государства, но и частные компании. Например, такие транснациональные корпорации как Google, IBM, Intel и Microsoft вложили в развитие квантовых компьютеров полмиллиарда долларов. На эти средства были созданы крупные лаборатории и исследовательские центры. Google добился определенного успеха в этом деле: квантовые технологии вскоре смогут иметь практическую значимость - они смогут имитировать простую химическую реакцию. Это достижение открывает путь к квантовой химии, которая может расширить понимание ученых о молекулярных реакциях и помочь в полезных открытиях, таких как более совершенные батареи, новые способы производства удобрений и улучшенные методы отчистки воздуха от углекислого газа [2].
Большинство разработок на базе квантовых технологий существуют только в лабораториях. В реальности подобное можно увидеть, например, в Китае. В 2016 там был запущен первый квантовый спутник «Мо-цзы», основной задачей которого являлось создание канала связи между Пекином и Веной. А годом позже, была открыта квантовая линия связи между Пекином и Шанхаем. Считается, что такой мост может быть полностью защищен от хакерских атак.
Таким образом, изученная информация позволяет выделить возможные пути применения квантовых компьютеров.
Медицина. Человеческий организм может по-разному реагировать на новые лекарства, но с помощью квантовых вычислений станет возможным изучить разные сценарии взаимодействия организма человека с лекарственным препаратом. Введение квантовых компьютеров в медицину откроет путь к разработке новых лекарств, что значительно улучшит качество жизни людей. Станет возможным более качественно изучать мозг и вылечить болезни Паркинсона и Альцгермера. Искусственный интеллект в сотрудничестве с квантовым компьютером изменит мир - при регистрации нейронной активности, человечество приблизится к возможности чтения мыслей [4, с. 22].
Криптография. С помощью квантового компьютера можно будет расшифровывать сообщения (например, используя квантовый алгоритм Шора), так как скорость расшифровки квантового компьютера в разы выше, чем у обычного [8, с. 60].
Транспорт. Так как квантовый компьютер может обрабатывать быстрее и точнее большие объемы данных, управление инфраструктурой станет эффективнее. Повысится мобильность сервисов, за счет обработки больших массивов данных. Станет также возможным диагностировать состояние транспортного средства и развитие системы Smart Transport в концепции Smart city, особенно актуально это будет для предотвращения аварий на железной дороге [7, с. 55].
Военное дело. Сочетание ИИ и квантовых технологий может привести к таким неблагоприятным
последствиям, как создание системы искусственного интеллекта военного назначения - абсолютно нового оружия массового поражения [6, с. 55].
Государственное управление. Для эффективного решения управленческих задач необходимо анализировать большие объемы данных. Применяя квантовые технологии в управлении, можно создать надежную защиту для интернета вещей (IoT), организацию квантового интернета, переход государственных дата-центров на оптическую связь. Дальнейшее применение этих технологий приблизит цифровизацию государственного управления и внедрение нейрокоммуникационных технологий в госсектор [5, с. 62].
В России в настоящий момент квантовые технологии развиваются в трех направлениях: квантовые вычисления, которыми занимается «Росатом»; квантовые коммуникации, находящиеся в ведении «РЖД»; квантовые сенсоры, разрабатываемые в «Ростех».
На наш взгляд, квантовые компьютеры - это своего рода революция, но не только в вычислительной технике, но и в сфере передачи информации и организации принципиально новых систем связи. Это может послужить успешным стартом для развития новых, пока никому неизвестных, областей Науки и Техники.
Подводя итоги, стоит сказать, что квантовые компьютеры вовсе не должны заменить обычные. Простым пользователям невозможно оценить превосходство квантовых компьютеров. Одним из способов демонстрации превосходства является пример решения таких задач, как факторизация больших чисел. Также квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования физических явлений в сфере нано и биотехнологий.
Квантовые вычисления — это принципиально новое направление, которое способно изменить представления о программировании, вычислениях и так далее. Мы вошли в эру NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum technology) - это означает, что на данный момент не существует квантовых компьютеров, которые были бы сравнимы с классическими ПК. Квантовые компьютеры решают только узкоспециализированные задачи, но они пока не практичны в широком применении. Поэтому, с повсеместным распространением квантовых компьютеров, классические вряд ли исчезнут. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Квантовые позволят совершать операции, требующие большой скорости вычислений. А вот классические останутся в широком пользовании у большей части населения планеты [4, с.21].
Список используемой литературы:
1. Официальный сайт Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации [Электронный ресурс] // URL: https://digital.gov.ru/ru/events/40910/ (дата обращения: 10.12.2021)
2. Neil Savage Google's Quantum Computer Achieves Chemistry Milestone [Электронный ресурс] // Scientific American. - 2020. - URL: https://www.scientificamerican.com/article/googles-quantum-computer-achieves-chemistry-milestone/ (дата обращения: 10.12.2021)
3. Бетеров И.И. Квантовые компьютеры на «Холодных атомах» // Наука из первых рук. - 2014. - №3-4 (57-58). - С. 189-191.
4. Борисевич М. Н. О квантовом компьютере и квантовой медицине // Вестник Витебского государственного медицинского университета. - 2021. - Т. 20, № 2. - С. 18-24.
5. Косоруков А.А. Перспективные технологические решения в сфере построения нейроцифрового государственного управления // Социодинамика. - 2021. - № 6. - С.53-65.
6. Масленников О.В. Алиев Ф.К. Беспалов С.А. [и др.] Человек и системы искусственного интеллекта в военном деле // Военная мысль. - 2021. - №6. - С.46-56.
7. Поликарпов П.В. Уваров Н.К. Хомоненко А.Д. Экосистемы квантовых вычислений и перспективы использования их на транспорте // Intelligent Technologies on Transport. - 2021. - №3 - С. 52-60.
8. Шемякина М.А. Анализ использования квантовых технологий в криптографии. // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2019. - №5-4. - С. 59-62.
