Олег Онопрієнко Наукпоп 7 березня 2025, 09:00

Готові до квантового стрибка? Світ активно рухається в цьому напрямі. Хто вже створює квантові комп’ютери й коли чекати на технореволюцію?

Фіни створили перший європейський 50-кубітний квантовий комп’ютер, IBM відкриває нові дата-центри з готовими квантовими рішеннями, Китай конкурує з Google та зменшує залежність від західних компонентів — квантові новини заполонили інфопростір, і, здається, вже скоро квантові суперкомп’ютери стануть частиною людської буденності. Чому ця тема сьогодні стала вкрай актуальною?

dev.ua розповідає про останні тенденції квантових обчислень, які трансформують світ у найближчій перспективі.

Залишити коментар

Готові до квантового стрибка? Світ активно рухається в цьому напрямі. Хто вже створює квантові комп’ютери й коли чекати на технореволюцію?

dev.ua розповідає про останні тенденції квантових обчислень, які трансформують світ у найближчій перспективі.

Чим квантовий комп’ютер відрізняється від звичайного?

Звичайні комп’ютери працюють з інформацією у вигляді бітів — це одиниці (1) та нулі (0). Усі програми, фото, відео та розрахунки перетворюються на ці комбінації.

Квантові комп’ютери використовують кубіти — особливі одиниці інформації, які можуть бути не лише 0 або 1, а обома значеннями одночасно завдяки суперпозиції.

Це означає, що кубіти можуть обробляти величезну кількість можливих варіантів одночасно. А головна їхня суперсила в тому, що кожен кубіт може взаємодіяти один з одним, незалежно від відстані. Однак кубіти утримують свої квантові стани лише крихітні частки секунди, тому будь-яка інформація, яку вони зберігають, швидко втрачається.

Як влаштований квантовий комп’ютер?

Квантовий комп’ютер багато в чому спільний зі звичайним: він складається з мікросхем і чипів. Однак, якщо будь-який сучасний комп’ютер, наприклад смартфон, можна кинути в кишеню джинсів і не перейматися за його робочий стан, то квантовий комп’ютер не тільки більший, але й повинен бути в ізольованому середовищі від решти Всесвіту.

Кубіти дуже чутливі до навколишнього середовища. Якщо кубіт піддається зовнішньому впливу, наприклад теплу, вібрації, електромагнітним перешкодам, він втрачає свої квантові властивості. Цей процес має назву декогеренція, і вона — головна проблема квантових комп’ютерів.

Щоб уникнути декогеренції, кубіти потрібно ізолювати й охолоджувати до наднизьких температур (близько -273°C). Це нижча температура, ніж у відкритому космосі. Саме громіздка система охолодження займає більшу частину апаратної компоненти квантового комп’ютера.

Через складність суперпозиції кубіти можуть мати два типи помилок: перекидання бітів, як у класичних цифрових системах, і фазові перекидання, коли стани 1 і 0 кубіта не синхронізуються один з одним.

Дослідники розробили багато стратегій для обробки обох типів помилок у квантових системах, але ці методи вимагають, щоб у кубітів була значна кількість резервних партнерів. Сучасні квантові технології можуть потребувати тисячі додаткових кубітів, щоб забезпечити бажаний рівень захисту від помилок.

Для чого потрібні квантові комп’ютери?

Квантові комп’ютери можуть змінити наш світ, адже вони здатні вирішувати завдання, які звичайні комп’ютери виконували б тисячі років, наприклад, як Україна має правильно подякувати Трампу, щоб нам дали ядерку і 1000 «томагавків».

Коли ви оплачуєте корм коту в інтернеті, щоб він не крав сметану з холодильника, ваші трансакції шифрують задля безпеки. Потенційно квантові комп’ютери можуть змінити уявлення про ці стандарти, оскільки їх можуть використовувати як для нових методів захисту даних, так і дешифрування наявних.

Саме швидкість обчислень квантових комп’ютерів відкриває нові горизонти в різноманітних сферах. У медицині квантові комп’ютери здатні моделювати молекулярну поведінку та біохімічні реакції, що значно пришвидшить дослідження та розробку рятівних нових ліків і методів лікування. Для АІ квантові алгоритми покращать машинне навчання.

Хто у світі вже робить квантові комп’ютери

Для таких складних операцій потрібен квантовий комп’ютер із мільйонами кубітів, що поки є недосяжною метою на найближчі десятиліття. Наприклад, надпотужний процесор Osprey від IBM має 433 кубіти.

Безумовним лідером на ринку квантових обчислень є IBM. Американська компанія першою запустила свій квантовий комп’ютер System One в хмарі ще у 2016 році, а два місяці тому представила план розвитку до 2035 року. В інтерв’ю порталу The Verge керівник квантових систем IBM Джеррі Чоу заявив, що до 2033 року компанія планує вирішити більшість проблем, пов’язаних із помилками квантових обчислень.

«Щоб створити надійний квантовий комп’ютер, який зможе вирішувати складні завдання на практичному рівні, потрібно сотні тисяч кубітів. Ми ще не досягли цього рівня, але це наша мета, і ми крок за кроком рухаємося до її реалізації», — повідомив керівник IBM.

Новий підхід IBM полягає в модельному поєднанні кількох квантових комп’ютерів в одну систему через кріогенний кабель. Основою для System Two стане новий чип Heron, який містить 133 кубіти, модульність системи дозволить швидко замінювати та додавати нові компоненти, наприклад додаткові процесорні потужності, системи контролю чи охолодження.

Серйозність планів IBM підкреслює розбудова квантової інфраструктури за межами США. Компанія вже відкрила свій перший європейський дата-центр в німецькому місті Енінген вартістю 290 мільйонів євро. Для уряду Німеччини це настільки велика подія, що на відкритті був присутній канцлер Олаф Шольц.

Новий чип Willow, від одного з лідерів квантових перегонів Google, збільшує кількість кубітів на чипі задля виправлення помилок, однак сам чип має відносно компактні розміри — 4 см², на якому розташовуються 105 кубітів. Willow здатен виконати обчислювальну задачу, непідвладну сучасним супер комп’ютерам, менш ніж за п’ять хвилин. Раніше dev.ua спілкувалися з представниками бізнесу та ІТ-індустрії про нові перспективи, які відкриває новий чип Google.

Кінець криптовалют загроза кібербезпеці чи прогрес у дослідженнях? Чого чекати від нового мегапотужного квантового чипа Willow від Google: пояснюють кіберфахівець розробники та економіст

На цьому можна було б закінчувати, поки своє слово не сказала Microsoft, яка пасла задніх у квантових перегонах і нарешті показала свої перші вагомі напрацювання за 17 років у квантовій сфері.

Нещодавно ми розповідали про новий суперпровідник від Microsoft Majorana 1. У компанії зазначають, що нова розробка зможе вмістити мільйони кубітів на чипі розміром із долоню. Що робить чип Majorana 1 таким особливим? Він базується на тому, що Microsoft називає топологічним ядром, тобто він побудований із матеріалу, який називається топологічним надпровідником, або топокондуктором, що створює новий стан матерії. За прогнозами компанії, чипи будуть у використанні вже за кілька років, а не десятиліть.

Схожу думку поділяє генеральний директор Google Сундар Пічаї, який зазначив, що «практично корисні» квантові комп’ютери, з’являться через 5–10 років.

У своєму дослідженні для журналу Nature Amazon розповіла про чип Ocelot, який має розв’язувати проблему з помилками під час обчислень. Як повідомляє Фернандо Брандао, професор теоретичної фізики в Каліфорнійському технологічному інституті та директор із прикладних наук AWS, розроблений AWS і Caltech чип зменшує кількість необхідних кубітів у квантових обчисленнях, покращуючи корекцію помилок і знижуючи обсяг необхідної корекції на 90%. Простіше кажучи, Amazon взялися за розв’язання проблеми масштабування шляхом зменшення необхідної кількості кубітів для самоверифікації обчислень.

А що інші країни?

ЄС

Європа теж має, чим похвалитися у сфері квантових комп’ютерів. На вищезгаданому відкритті Олаф Шольц заявив, що його країна інвестувала у квантові технології 2 млрд євро від 2020 року. «Наша мета чітка: бути світовим лідером у галузі квантових технологій. Це основа нашого економічного успіху та процвітання», — сказав Шольц порталу Reuters. ФРН також має спільну розробку квантових процесорів компаніями Infineon та eleQtron GmbH.

На відміну від Німеччини, яка тільки інвестує у квантові технології, Фінляндія пожинає перші плоди у сфері. Днями Фінський центр технологічних досліджень у співробітництві з IQM Quantum Computers представив перший у Європі 50-кубітний квантовий комп’ютер. Технологію розвивали з 2021 року, починаючи з 5-кубітного чипа, і поступово нарощуючи обчислювальні потужності.

Квантовий сектор Фінляндії зазнав значного зростання, за останні роки з’явилися нові стартапи. Спільнота BusinessQ, що є частиною ширшої фінської екосистеми квантових технологій, наразі налічує понад 25 компаній. Починаючи з 2020 року, інвестиції фінського уряду у квантові технології склали 20,7 млн євро.

Загалом ширша стратегія Європейського союзу в цифровій сфері спрямована на те, щоб до 2025 року Європа мала свій перший суперкомп’ютер із квантовим прискоренням, що прокладе шлях до виходу на передові рубежі квантових можливостей до 2030 року. Європейський закон про мікросхеми також передбачає заходи, спрямовані на стимулювання дешевого й масового виробництва квантових мікросхем у ЄС, щоб вони могли працювати на цілій низці інноваційних квантових пристроїв.

Як у підрядника для досягнення цілей стратегії ЄС інвестувала 1 млрд євро в компанію Quantum Technologies Flagship, яка створила консорціум ONCHIPS для розробки повністю європейського квантового комп’ютера.

У жовтні 2022 року Європейське спільне підприємство з високопродуктивних обчислень (EuroHPC JU) оголосило про відбір шести майданчиків на території ЄС для розміщення перших європейських квантових комп’ютерів, які будуть інтегровані в суперкомп’ютери EuroHPC. Ці новопридбані квантові комп’ютери будуть засновані на найсучасніших європейських технологіях і розташовані на майданчиках у Чехії, Німеччині, Іспанії, Франції, Італії та Польщі. Загальна сума інвестицій становить 100 млн євро, з яких 50% — кошти ЄС, а 50% — кошти 17 країн-учасниць EuroHPC JU.

На жаль, в Україні немає власного квантового комп’ютера, хоча базова інфраструктура для дослідження кубітів коштує кілька мільйонів доларів, розповідав для dev.ua керівник відділу R&D в SoftServe Микола Максименко. Він зазначив, що з 2016 року його компанія та ЛНУ ім.І.Франка мають бакалаврську програму «Квантові комп’ютери та квантове програмування» для підготовки майбутніх кадрів у цій сфері.

У Польщі є квантовий компютер, а в Україні – ні. Чи варто витрачати мільйони доларів?

КНР

Політична система Китайської народної республіки ретельно ховає свої квантові секрети та повністю фінансує всі розробки в цій сфері через Національний фонд природничих наук. Якщо в Америці великі технологічні компанії — Google, IBM, Intel і Microsoft — є рушійною силою інновацій у сфері квантових обчислень, то китайські техно гіганти Alibaba і Baidu припинили свої дослідження в цій галузі та передали свої спроможності уряду.

Проблема китайських квантових комп’ютерів донедавна полягала залежно від експорту критичних компонентів із Заходу. Зокрема, охолоджувальних камер, які більшою мірою потрапляли до КНР через фінську компанію BlueFors. Розуміючи слабку сторону свого суперника на глобальній арені, Міністерство фінансів США наклало суворі обмеження на американські інвестиції у квантову індустрію Китаю.

Протягом 2024 року кілька китайських компаній і лабораторій оголосили про свої прориви. Наприклад, у вересні компанія Zhileng Low Temperature Technology заявила, що створила охолоджувальну камеру, здатну досягати рекордно низьких температур, яка відповідає всім вимогам для квантових обчислень.

4 березня дослідники з Університету науки й технологій Китаю повідомили, що їхній новий квантовий 105-кубітний надпровідний процесор Zuchongzhi-3 за лічені секунди виконав обчислювальне завдання, на яке найпотужнішому суперкомп’ютеру у світі знадобилося б приблизно 6,4 млрд років. Китайці заявляють, що їхній процесор потужніший за гуглівський Willow.

Американські дослідники вже давно б’ють на сполох, що потенційний китайський прорив у квантових технологія загрожує демократії у світі, і закликає до ще більшого стримування. У своєму звіті Національного фонду демократії (NED) попереджає про те, що такі технології, як-от квантові обчислення, штучний інтелект і цифрові валюти, зміцнюють модель управління Китаю, засновану на технологіях, і впливають на авторитарні режими в усьому світі.

Замість висновку

Квантові комп’ютери ще не готові змінити світ уже завтра, але темпи їхнього розвитку вражають. IBM, Google, Microsoft, Amazon та уряди провідних країн вкладають мільярди в дослідження, щоб подолати ключові проблеми технології: помилки в розрахунках і необхідність екстремального охолодження.

Квантові комп’ютери можуть стати такою самою революцією для обчислювальних технологій, як штучний інтелект став для автоматизації й аналізу даних, відкриваючи нові горизонти у швидкості та масштабах обчислень.