Компания IBM объявила о своих амбициозных планах создать первый в мире крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер под названием IBM Quantum Starling. Согласно обновленной дорожной карте развития квантовых технологий, устройство должно появиться к 2029 году и будет способно выполнять 100 миллионов квантовых операций, используя при этом 200 кубитов, устойчивых к ошибкам.
Квантовые вычисления — это технология будущего, способная в разы превзойти классические компьютеры по скорости решения определённых задач, таких как моделирование молекул, оптимизация и криптоанализ. Однако главной проблемой на пути к практическому квантовому компьютеру является его высокая чувствительность к внешним воздействиям, приводящим к ошибкам. Эти ошибки возникают из-за так называемой декогеренции — колебаний и шумов в окружающей среде, которые сбивают квантовое состояние кубитов.
Отказоустойчивость в квантовых вычислениях — это способность системы автоматически исправлять ошибки, возникающие во время работы, и продолжать вычисления без потери данных. IBM намерена реализовать такой подход с помощью новейших методов коррекции ошибок, что позволит значительно увеличить стабильность и надёжность работы квантового компьютера.
В частности, Quantum Starling будет оснащён специальным декодером коррекции ошибок, который функционирует в режиме реального времени. Этот декодер будет работать на аппаратных платформах, таких как FPGA (программируемые вентильные матрицы) или ASIC (специализированные интегральные схемы), что позволит моментально обнаруживать и исправлять ошибки ещё до того, как они успеют негативно повлиять на вычисления.
Одним из ключевых технических решений IBM стала разработка и использование так называемого Bivariate Bicycle — особого вида квантового кода с низкой плотностью проверок на чётность. Такой код сокращает число физических кубитов, необходимых для представления одного логического кубита, примерно на 90%. Это значит, что для выполнения сложных задач потребуется значительно меньше «физического» оборудования, что упрощает масштабирование квантовых систем.
Зачем нужна отказоустойчивость в квантовых компьютерах?
Для понимания значимости отказоустойчивых технологий, нужно помнить, что кубиты — основные элементы квантовых вычислений — очень хрупкие. Их квантовое состояние может легко разрушиться из-за мельчайших помех. Без эффективных методов коррекции ошибок квантовые вычисления просто не будут работать надёжно и станут непрактичными.
По словам профессора Дэвида Бейдера из Технологического института Нью-Джерси, отказоустойчивость — это базовая технология для создания практических квантовых вычислительных систем. Именно она позволит перейти от экспериментальных прототипов с десятками кубитов к компьютерам с десятками тысяч и даже миллионами кубитов, способным решать реальные задачи. При этом Бейдер отмечает и потенциальную угрозу, которую создают такие технологии для нынешних методов защиты информации — современной криптографии.
Возможности и риски развития квантовых вычислений
С технической стороны, развитие квантовых технологий, подобных IBM Quantum Starling, открывает огромные перспективы. Роза Ди Феличе, технический директор Центра квантовых инноваций IBM при Университете Южной Калифорнии, подчёркивает, что мощные квантовые процессоры способны облегчить понимание сложных процессов на молекулярном уровне, что крайне важно для таких отраслей, как химия, фармакология и материаловедение.
Квантовые компьютеры смогут ускорить разработку новых лекарств, помочь в создании более эффективных катализаторов для химических реакций, а также способствовать разработке материалов с повышенной коррозийной стойкостью. Всё это — ключевые задачи, решение которых способно значительно изменить технологии производства и медицины в будущем.
Однако с другой стороны, развитие квантовых технологий вызывает обеспокоенность в сфере информационной безопасности. Если квантовые компьютеры станут достаточно мощными, они смогут запустить алгоритмы, такие как алгоритм Шора, который потенциально способен взламывать современные системы шифрования, лежащие в основе интернета и криптовалют. Это значит, что многие из привычных нам систем защиты информации окажутся уязвимыми.
Дэвид Бейдер отмечает, что переход к квантово-устойчивым алгоритмам шифрования — это необходимый шаг для разработчиков блокчейнов и других систем, чтобы подготовиться к будущему, в котором квантовые компьютеры станут реальностью. Он добавляет, что хотя угроза появится не раньше, чем через несколько лет, за этим процессом следует внимательно следить.
В марте 2025 года Джеймсон Лопп, один из основателей компании Casa, выступил против попыток использовать квантовые вычисления для восстановления утраченных биткоинов, считая, что лучше их «сжечь» (то есть признать потерянными), чем пытаться взломать с помощью квантов. Это отражает сложность и этические вопросы, связанные с новыми технологиями.
Технические детали: что такое FPGA, ASIC и Bivariate Bicycle?
Для тех, кто хочет поглубже понять, как IBM собирается реализовать отказоустойчивость, стоит знать, что такое FPGA и ASIC.
- FPGA (Field-Programmable Gate Array) — это интегральная схема, которую можно программировать после производства для выполнения специфических логических функций. Это универсальный и гибкий инструмент, позволяющий быстро менять алгоритмы коррекции ошибок без необходимости создавать новый чип.
- ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) — это специализированная интегральная схема, спроектированная для выполнения строго определённой задачи. ASIC более эффективен по энергии и скорости, чем FPGA, но менее гибок.
Использование этих платформ для коррекции ошибок позволяет квантовому компьютеру оперативно обнаруживать и исправлять сбои в работе кубитов.
Что касается Bivariate Bicycle — это новый тип квантового кода, который помогает уменьшить количество «физических» кубитов, необходимых для создания одного «логического» кубита. В квантовой вычислительной технике логический кубит — это кубит с исправленными ошибками, который можно использовать в вычислениях, а физические кубиты — это реальные аппаратные элементы. Bivariate Bicycle снижает накладные расходы на исправление ошибок, что является важным шагом к масштабированию квантовых компьютеров.
Перспективы коммерческого применения отказоустойчивых квантовых компьютеров
Хотя IBM анонсировала создание отказоустойчивого квантового компьютера, для широкой общественности и бизнеса возникает вопрос: как скоро мы увидим реальные коммерческие приложения таких устройств и что это значит для различных отраслей?
Сегодня квантовые компьютеры ещё находятся на стадии исследования и тестирования, и большинство из них доступны только через облачные сервисы, такие как IBM Quantum Experience. Однако отказоустойчивые квантовые системы могут стать первым шагом к появлению промышленных квантовых вычислителей, способных выполнять сложные задачи, которые невозможно эффективно решить на классических суперкомпьютерах.
В промышленности это может означать:
- Фармацевтика: ускорение разработки новых лекарств, моделирование взаимодействий белков и молекул в реальном времени.
- Химическая промышленность: создание более эффективных катализаторов и снижение затрат на производство.
- Финансовый сектор: оптимизация портфелей и управление рисками на основе сложных вычислительных моделей.
- Материаловедение: разработка новых сплавов и композитов с заданными свойствами.
Появление отказоустойчивых квантовых компьютеров — это, по сути, переход от научных экспериментов к реальному применению, который сможет изменить экономику и технологии в ближайшие десятилетия.
В то же время, важной остается задача обучения специалистов, способных работать с этими технологиями, а также выработка стандартов безопасности и этических норм.
Добавить комментарий