Квантовые вычисления вызывают интерес не только у таких технологических гигантов, как IBM, Google, Microsoft или Intel, ими интересуются отдельные страны ЕС, Россия, Китай, США и Япония. Ставки как никогда высоки — новая технологическая гонка, скорее всего, изменит современную схему вычислений, а значит и все, что с ней связано — компьютеры, системы хранения, процессоры, ЦОДы. Пока что, как пишет портал Next Platform, исследования в этой области в основном находятся на стадии эксперимента, но уже начали появляться первые плоды: Atos предлагает квантовый симулятор, тогда как D-Wave продает первые коммерческие системы на базе собственной архитектуры квантового отжига.

Несмотря на то, что появились первые продукты с квантовыми чипами, нужно понимать, что они спроектированы не для массового заказчика, поэтому интерес рынка сфокусирован на основных игроках — именно они станут «квантовыми локомотивами».

В конце прошлого года IBM в рамках инициативы Q Network выпустила 20-кубитный чип. Замысел компании состоит в том, чтобы построить экосистему вокруг облачного Quantum Experience. Разработчики, получившие к нему доступ, могут запускать алгоритмы, проводить различные исследования и работать с отдельными квантовыми битами. Для пользователей системы предоставлены примеры работы с IBM Q. Число пользователей платформы IBM Quantum Experience уже измеряется несколькими десятками тысяч.

Тем временем свой вариант квантового симулятора подготовила Microsoft. Компания также выпустила предметно-ориентированный язык Q, используемый для выражения квантовых алгоритмов. Впервые он был представлен в составе Quantum Development Kit.

Исследователи Intel нашли способ производства 17-кубитных чипов с особой архитектурой, которая позволяет им работать при более высоких температурах и уменьшает помехи при передаче данных. Также Intel совместно с голландской QuTech анонсировала программируемый двухкубитный квантовый компьютер, работающий на кремниевом чипе.

Активна на квантовом поле и Google — она тестирует чипы с 6, 9 и 20 кубитами.

Rigetti Computing разработала API Forest для свободного доступа к своему 19-кубитному квантовому компьютеру через облако. Компания использует гибридную установку: квантовая машина, размещенная в охладителе при сверхнизких температурах, работает в связке с обычным компьютером.

IBM, Rigetti, Microsoft и многие другие компании наращивают темпы в области разработки ПО для квантовых вычислений.

Свои планы в этом направлении вынашивают и российские компании. К примеру, на ближайшие годы Росатом запланировал создание 100-кубитного квантового компьютера — это крайне амбициозная цель, учитывая, что достижения его конкурентов «застряли» на двух десятках кубитов. Необходимые технологии будут разрабатываться Росатомом совместно с Фондом перспективных исследований и министерством образования и науки.

Активность вендоров в этой области связана с тем, что спустя пару десятилетий квантовые компьютеры возьмут на себя определенную часть коммерческих вычислений. Учитывая, что есть группы операций, в которых они по скорости теоретически во много раз обходят не только классические ПК, но и суперкомпьютеры, это станет прорывом в развитии компьютинга. Но у них есть серьезные недостатки — кубиты раскрывают свой потенциал при чрезвычайно низких температурах (в диапазоне милликельвинов). Так, созданный в 2016 г. D-Wave квантовый компьютер D-Wave 2X работал при температуре 15 мК (около −273 °C) и представлял собой систему из 128 тыс. джозефсоновских туннельных переходов.

Но уже ясно, что создавать квантовые компьютеры в земных условиях крайне сложно. В то же время существует более подходящая среда для их работы — открытый космос. Первыми квантовый компьютер в космосе запустили китайцы — в августе 2016 г. с космодрома в пустыне Гоби. Китай не скрывал своих главных целей в этом проекте: тестирование новых криптоалгоритмов.

Ограничения, проблемы и опасения

Пока что ведущим лабораториям удалось создать квантовые компьютеры, у которых число кубитов измеряется двузначными цифрами. Чтобы превратить их в универсальные вычислительные устройства, понадобятся тысячи кубитов. Ситуацию усложняет общая картина неопределенности вокруг будущего нового поколения квантовых компьютеров — они требуют огромных инвестиций, времени, к тому же существует подогреваемые СМИ сомнения в безопасности технологии. Нужно заметить, что они небеспочвенные: основой благополучия современного цифрового мира является незыблемость применяемой системы криптографической защиты.

Шифрование обеспечивает не только конфиденциальность — этот инструмент активно применяется для подтверждения достоверности передаваемых данных и идентичности документов (цифровая подпись), посещаемых сайтов (цифровые сертификаты), надежности канала передачи электронной почты и т. д. Но еще в 1994 г. американский ученый Питер Шор разработал квантовый алгоритм факторизации. Он не только описывает, как представить любое число через набор простых множителей, но и показывает, как с помощью квантового компьютера можно осуществить взлом криптографических систем с открытым ключом.

Путем моделирования удалось выяснить, что если на расшифровку ключа длиной 193 символов, сгенерированного с помощью криптоалгоритма RSA, тратится около 5 месяцев работы кластера из 80 компьютеров с 2,2-ГГц процессорами, то с применением квантового компьютера соразмерной мощности и алгоритма Шора проделать «хак» можно за 17 секунд.

По мнению директора по исследованиям новых технологий Intel Labs Джима Хелда, «квантовые компьютеры могут находить проблемы, о которых мы сегодня не имеем представления». Чтобы перерасти стадию экспериментов, технологии потребуется не менее десяти лет, но даже в этом случае квантовые компьютеры не заменят традиционные компьютеры, считает он.

Директор исследовательской группы HPE Large-Scale Integrated Photonics Рей Босолей призывает сообщество как можно скорее перейти к практическому применению квантовых вычислений. По его словам, «их нужно рассматривать как средство для решения определенного типа проблем», а не пытаться создать супербыстрые и мощные системы общего назначения.

Эту точку зрения разделяет и Google. Компания признает, что разработка горизонтально-масштабируемого квантового компьютера немыслима без поддержки массивного суперкомпьютера — он потребуется для обеспечения операций вывода.

Босолей полагает, что квантовые компьютеры идеально приспособлены для решения простых целевых задач, но они не подходят для промежуточных вычислений, с которыми хорошо справляются x86-компьютеры или компьютерные платформы, в которых центральное место отводится не процессору, а памяти (Memory-Driven Computing). На практике квантовые системы лучше всего использовать для разработки новых лекарств, создания новых материалов или решения очень сложных проблем в области теоретической физики, однако их влияние на бизнес будет незначительным.

По мнению Босолея, теоретически «квантовые компьютеры удивительно хороши для моделирования других квантовых систем». «Однако такие системы не умеют производить операции чтения, записи и откровенно плохо производят арифметические подсчеты. Мы действительно не знаем, как перекодировать большую базу данных в квантовые биты, а затем работать с ней, — сказал он.- Вызывает удивление, насколько совершенна квантовая шкала сложности — она превращает 1 тыс. обычных битов в 10 кубитов. Десять бесшумных, идеальных кубитов. Проблема в том, что на данный момент мы понятия не имеем, как перенести петабит информации на 50 кубитов. Эта проблема усугубляется тем, что в природе не существует квантового жесткого диска на который можно записать базу данных и затем считать ее».

Круг нерешенных проблем, связанных с квантовыми вычислениями, дополняет еще одна. Для того, чтобы понять в чем заключается ее суть, Босолей сравнил квантовый компьютер с приготовлением суфле в духовке. «Даже если будут соблюдены все пропорции, выдержана рецептура, в итоге повар может приготовить не сырное суфле, а шоколадное. Это вопрос квантовых измерений. В идеале, если квантовый компьютер хорошо изолирован от нашей части Вселенной, и выдаст ответ, то нет никакой гарантии, что он будет точен, потому что все построено на вероятностях», — сказал он.

Потребность в квантовых вычислениях зависит от отраслевой принадлежности предприятия. Компании не должны рассматривать квантовые вычисления как комплексное решение своих вычислительных задач. «Они ускоряют решение определенных типов проблем. К примеру, если ваша компания занимается фармацевтическим бизнесом, научной деятельностью или производством, то вы можете смело обращаться к квантовым технологиям, но они вам не нужны, если вы работаете с электронными таблицами Excel», — сказал Босолей. Он также поведал о том, что шесть лет назад был участником одного проекта, который завершился неудачей: «Согласитесь, очень не просто запустить квантовый ускоритель на смартфоне, поскольку он не может работать при температуре, которая приближается к абсолютному нулю».