В нескольких словах
В Барселонском суперкомпьютерном центре установлен первый испанский квантовый компьютер, открывающий новые горизонты в научных исследованиях и разработках. Этот проект знаменует важный шаг в развитии квантовых технологий в Европе и обещает революционные изменения в различных областях, от медицины до финансов.
Новый квантовый компьютер в Барселонском суперкомпьютерном центре
В часовне Барселонского суперкомпьютерного центра (BSC) появился новый «жилец». Эта бывшая церковь, с 2005 года размещавшая суперкомпьютеры MareNostrum 1, 2, 3 и 4, совершает экспоненциальный скачок, чтобы стать домом для первого испанского квантового компьютера с открытым доступом, построенного на 100% европейских технологиях. Проект Quantum Spain, реализующий эту инициативу, располагает бюджетом в 22 миллиона евро, направленным на строительство компьютера, создание экосистемы для обеспечения доступа к нему и исследования в области квантовой алгоритмизации, что является ключевым элементом в развитии этой новой технологии.
Цель, продолжая миссию проектов MareNostrum, состоит в том, чтобы предоставить испанским исследователям инструмент, который обещает в обозримом будущем революционизировать наше понимание мира, расширив возможности исследований в таких различных областях, как разработка лекарств, физика материалов, финансы и искусственный интеллект.
Но что может дать квантовый компьютер и в чем разница между ним и традиционным? «Нелегко объяснить это в одном предложении», — говорит Альба Сервера, физик, отвечающая за координацию проекта, и аргументирует это: «Быстрый ответ заключается в том, что квантовый компьютер — это компьютер, который работает по правилам квантовой механики, но затем нам пришлось бы объяснить, что это за правила, и тут мы уже попадаем в переплет».
Чтобы понять разницу между квантовым компьютером и традиционным, необходимо понять разницу между битами и кубитами. Бит — это единица информации, с помощью которой записывается язык, управляющий известными нам компьютерами и который в двоичном коде может быть выражен как 0 или 1. Кубит обладает другими свойствами, связанными с квантовым миром, в котором одна вещь может быть несколькими вещами одновременно. Таким образом, вместо 1 или 0 кубит может быть 0, 1 или смесью того и другого: так называемой суперпозицией состояний. Но, помимо этого, кубиты могут обмениваться данными друг с другом таким образом, что сигнал, отправленный одному, влияет на другие, апеллируя к другому квантовому свойству, которое называется запутанностью. «Это делает их работу совершенно отличной от работы традиционных битов и определяет, что алгоритмы, с помощью которых они программируются, также должны быть совершенно иной природы», — объясняет Сервера.
Речь идет не о вычислительной мощности, а о типе операций, которые они способны выполнять. Сравнить вычислительную мощность суперкомпьютера MareNostrum 4 с мощностью MareNostrum 5 очень просто: 13 900 триллионов операций в секунду против 314 000 триллионов операций в секунду. Когда мы входим в квантовые вычисления, вопрос становится более сложным, потому что речь идет о радикально разных операциях. Это правда, что кубиты, будучи способными выражать 0, 1 и все промежуточные значения, экспоненциально умножают возможности традиционных чипов, но дело не только в этом. С одной стороны, существует тема запутанности — способ, которым кубиты влияют друг на друга, — но прежде всего тот факт, что алгоритмы, управляющие этими вычислениями и процессами, имеют совершенно иную природу. Отвечая на квантовые свойства, они позволяют нам сэкономить множество шагов в тех приложениях, в которых они подходят, что позволяет квантовому компьютеру решить операцию, которая потребовала бы от обычного компьютера годы, за считанные минуты.
Наиболее очевидным примером является криптография, то есть шифрование информации. Один из наиболее часто используемых способов криптографии основан на произведении двух простых чисел. Умножить два простых числа очень просто. Но если нам дано произведение этого умножения и нам нужно выяснить, какие два простых числа при умножении дают этот результат, операция может оказаться действительно сложной: задача, которую обычный суперкомпьютер, и в зависимости от того, насколько велико заданное число, может занять тысячи лет. В 1994 году американский математик Питер Шор разработал алгоритм, который, используя квантовые свойства, мог решить эту задачу гораздо эффективнее, так что эти тысячи лет превратились бы в минуты. «Дело не в скорости, хотя результат именно таков, а в типе алгоритма, специально разработанного для использования квантовых свойств, чтобы можно было решить проблему, используя гораздо меньше операций, что приводит к гораздо меньшему времени решения, а также к значительной экономии энергии», — поясняет Сервера.
Сложность заключается в том, что квантовое оборудование все еще не способно поддерживать этот тип операций. Будучи оптимистами, и даже для алгоритмов, которые теоретически оказались функциональными, таких как алгоритм Шора, потребуется не менее 15 лет, прежде чем технология сможет их использовать. Работа квантового компьютера по-прежнему очень нестабильна, и совершается много ошибок. Самая большая проблема — исправить эти ошибки для достижения надежных процессов.
Было сказано, что квантовый компьютер сможет решить все проблемы человечества, потому что он способен анализировать все решения одновременно, и это тоже не так. Необходимо учитывать, что наличие всех ответов — это то же самое, что не иметь ни одного. «То, что начинает иметь значение с этого момента, — это способность правильно сформулировать вопрос, чтобы получить полезный ответ. И это, на языке информатики, переводится в разработку правильного алгоритма», — объясняет Сервера.
Ключ к успеху — в том, что называется «квантовым превосходством», то есть для какого типа процессов можно разработать алгоритм, в котором квантовая технология будет более эффективной, чем самый мощный из традиционных компьютеров. Для начала, все те, в которых вы хотите моделировать взаимодействия, происходящие в квантовом мире, то есть те, которые включают физику частиц. «Разработка лекарства, например, требует экспериментов с молекулами, которые состоят из атомов, которые состоят из частиц, подчиняющихся правилам квантовой механики. Компьютер, работающий с этой технологией, будет гораздо более подходящим для проведения такого рода моделирования, чем тот, который должен его имитировать», — объясняет Сервера. То же самое касается физики материалов и операций, необходимых для развития искусственного интеллекта. И считается, что это также может быть очень полезно для оптимизации логистических процессов, таких как отправка посылок Amazon или некоторые финансовые проблемы, такие как оптимизация инвестиционных портфелей, но это все еще изучается.
Для оптимальной работы квантовому чипу необходимо находиться в вакууме, чтобы он оставался изолированным от любых возможных возмущений, и при температуре, близкой к абсолютному нулю, то есть -273 градуса Цельсия. Сам чип, по сути, занимает не более шести квадратных сантиметров. Все оборудование, которое он влечет за собой, когда мы видим изображение квантового компьютера, предназначено для создания этого вакуума и доведения температуры до таких низких значений.
После ввода в эксплуатацию квантовый компьютер станет еще одним элементом MareNostrum 5 и станет частью испанской сети суперкомпьютеров, членом и координатором которой является Барселонский суперкомпьютерный центр, так что любой исследователь сможет получить к нему доступ бесплатно. Любой, кому необходимо провести эксперименты, включающие задачи, требующие этой технологии, может представить проект для ее использования, который будет оценен и одобрен комиссией экспертов из того же центра.
Итак, мы стоим перед лицом самой современной технологии в мире, и в то же время находимся в доисторической эпохе того, что эта технология может предложить. Когда мы видим новенький чип с пятью кубитами, который только что установили в часовне Барселонского суперкомпьютерного центра, мы действительно являемся свидетелями момента, который завтра будет изучаться как анналы квантовых вычислений в Испании, так же как перфокарты прошлого века представляют собой происхождение традиционных вычислений: момент инициации, который только время покажет, куда он может нас привести.
