Уже давно над ИТ-индустрией висит дамоклов меч пределов развития классических вычислительных технологий: наиболее компактные транзисторы сегодня достигли размеров в несколько нанометров, и для обеспечения дальнейшего роста производительности необходимы транзисторы из атомов; исчерпан ресурс увеличения тактовой частоты процессоров и параллелизма выполнения машинных команд; беспокойство разработчиков вызывает проблема «стены памяти» — данные не должны быть заперты в клетке, но расходовать более 70% всей энергии системы на их хранение и перемещение в точку обработки становится непозволительной роскошью. Вероятно, будущее за квантовыми технологиями: вычислениями, коммуникациями, метрологией и сенсорикой.
Квантовые вычисления сулят возможность решения задач, «неподъемных» для классических суперкомпьютеров: моделирование сложных физических, химических и биологических систем (например, для решения задачи увеличения продолжительности жизни, создания новых лекарственных средств и материалов); машинное обучение для выполнения аналитики со скоростью бизнеса; обнаружение сетевых сообществ — задачи разбиения графов, графовой кластеризации. Квантовые коммуникации обещают повысить безопасность Интернета за счет новой криптографии, обеспечивающей конфиденциальное распределение ключей между удаленными пользователями. Квантовые сенсоры и метрологические устройства потенциально могут обеспечить выполнение измерений с предельно допустимой разрешающей способностью. Неудивительно, что аналитики уже не первый год подряд включают квантовые технологии в перечень прорывных, сокращая прогнозируемые сроки выхода реальных квантовых изделий на плато продуктивности, — например, в 2018 году был показан горизонт в 5–10 лет.
Вместе с тем, пока квантовые компьютеры находились за горизонтом, было легко рассуждать о грядущих через десятилетия «тектонических сдвигах» в ИТ под воздействием квантовых технологий, но уже сегодня компании IBM, D-Wave, Google и Intel вывели на рынок свои образцы машин, предоставив к ним публично-облачный доступ, и тут оказалось, что проблем пока больше, чем профита. Мало того, все чаще вслед за сообщениями об очередных успехах разработчиков и пройденных ими горизонтах стали звучать скептические суждения, вплоть до таких, что квантовые вычисления вообще не достигнут устойчивого состояния для практической применимости.
На пути практического использования квантовых компьютеров лежат серьезные проблемы: время когерентности кубита непредсказуемо — неизвестно, как долго он сохраняет свои квантовые свойства, что вызывает, в частности, сложности с адресацией. Конечно, для повышения устойчивости кубита предпринимаются попытки его изоляции от помех внешнего мира (например, с помощью отрицательных температур), но это усложняет управление всей системой. Набор исходных данных для практических задач часто слишком велик, поэтому для их обработки квантовым процессором требуется производить разбиение на несколько небольших подзадач, «помещающихся» в имеющиеся существующие квантовые процессоры с передачей управления классическому вычислительному ресурсу. Аккуратность выбора параметров для задачи также может подчас кардинально сказаться на качестве получаемого результата, поэтому, кроме прямого решения задачи, на квантовом процессоре задействуется гибридный подход, при котором последовательность запросов к квантовому процессору чередуется с классическими вычислениями. Такой способ используется, например, при тренировке модели в задачах машинного обучения.
Перечень проблем, как и способов их обхода, можно продолжать, но в большинстве своем речь идет о паллиативных решениях, вызванных ограничениями реализаций, и в общем случае остается открытым вопрос о практической применимости квантовых технологий. Кроме того, не стоит забывать, что «железо» без ПО мертво, а парадигма программирования на квантовом компьютере отличается от традиционной. Архитектуры квантовых систем несовместимы с используемыми технологиями разработки ПО — например, программирование здесь не предусматривает написания пошаговых инструкций и имеет декларативную, а не императивную природу.
Тем не менее область квантовых вычислений стала сегодня topic du jour для компьютерного сообщества, индустрии и даже для правительства — уже и политики включились в квантовую гонку, инициировав, например, создание Дорожной карты развития квантовых технологий до 2024 года в рамках национальной программы «Цифровая экономика». Их желания понятны: квантовые процессы обещают революцию в технологиях и в конечном счете направлены на укрепление национальной безопасности, ускорение научных инноваций и повышение конкурентоспособности государства. Например, основа цифровой экономики — информационная безопасность, но если не будет безопасности, уверенности в сохранности больших данных, то не будет и цифровой трансформации, как если бы в традиционной экономике произведенный товар доставался потом непонятно кому, а квантовая криптография потенциально может повысить информационную безопасность.
Многомиллиардные национальные инициативы по развитию квантовых технологий, подкрепленные инвестициями со стороны промышленности и венчурных капиталистов, имеются сегодня в Северной Америке, Европе, Азии и Австралии — выполняются исследования, на имеющейся технологической базе создаются новые прототипы квантовых компьютеров, формируются профессиональные сообщества, а квантовые вычислительные устройства стали доступны как для коммерческого использования, так и в частных лабораториях.
.jpg)
Горизонт — это всего лишь предел для нашего взгляда, и хотя с практической точки зрения квантовые вычисления находятся в зачаточном состоянии, а первые успехи экспериментальных систем все еще весьма скромны, в течение следующих нескольких лет вполне может произойти прорыв.
