Предыдущая статья.

Квантовые вычисления в последнее время переживают неимоверный «хайп», о них говорят практически во всех технологических медиа. В таблице-прогнозе McKinsey (см. первую публикацию) они помечены как технология на стадии выхода на рынок.

На мой взгляд, McKinsey немного поторопились. Концепция квантовых вычислений в настоящее время имеют хорошую теоретическую основу, достаточно хорошо проработана в плане её перспектив, преимуществ и выгод, но… как их реализовать практически – пока сей вопрос остаётся открытым.

Если сравнивать квантовые вычисления с обычными компьютерами, то реализация квантовых компьютеров находится даже не на стадии ламповых компьютеров 1950-х, а скорее, на стадии «машины Тьюринга», теоретической модели. Или, может быть, на стадии механического компьютера Цузе 1930-х.

Квантовые вычисления радикально отличаются от вычислений двоичных компьютеров. Обычный двоичный бит можно представить в виде одномерного вектора единичной длины. Кубит (qubit, quantum bit) – соответственно представляет собой трёхмерную сферу единичного радиуса, в которой можно лишь каким-то образом распознать вероятность того, что единичный вектор направлен в какое-то место сферы. Причём, если мы точно определим место, в которое направлен единичный вектор, то всё – кубит мгновенно превращается в обычный бит. То есть, если в обычных битовых вычислениях всё достаточно понятно, то в квантовых – всё время приходится прибегать к каким-то аллегориям и формулам, которые требуют знания математики значительно выше среднего.

Если мы будем оперировать с одним-единственным кубитом – это даст мало пользы: слишком велика будет приблизительность результата. Точно так же и в обычных компьютерах, различные вычисления и обработка информации возможны, если мы оперируем не битами, а байтами из восьми битов.

В квантовых вычислениях, чем больше кубитов использует квантовый процессор, тем больше точность вычислений.

На сегодняшнем этапе, квантовые вычисления доступны только в виде облачной услуги. Облачные квантовые вычисления позволяют исследователям и разработчикам тестировать свои квантовые алгоритмы, которые разрабатываются на классических компьютерах, а затем эти алгоритмы тестируются на реальных квантовых компьютерах при помощи облачного сервиса.

Построение квантовых процессоров является дорогостоящим и сложным процессом. Достаточно сказать, что многие из них требуют температур, близких к абсолютному нулю.

Квантовые вычисления дают преимущество перед обычными вычислениями в нелинейных задачах с несколькими наборами решений. Например, если узким местом исследования является многопараметрическая нелинейная задача, для решения которой на классических компьютерах потребуются годы, было бы разумно разработать необходимые алгоритмы и протестировать их через облако.

Разработчики могут взаимодействовать с образом квантовой машины QMI (Quantum Machine Image), используя свои классические компьютеры. QMI — это виртуализированные среды программирования, предназначенные для разработки и запуска квантовых программных приложений.

Разработанный код выполняется на квантовых виртуальных машинах QVM (Quantum Vitrual Machine). QVM — это реализация квантовых машин для тестирования кода и генерации сигнала для запуска на квантовых процессорах.

Образ квантовой машины отправляет и получает сигналы от блока квантовой обработки QPU (Quantum Processing Unit), который представляет собой квантовый чип, содержащий взаимосвязанные кубиты. Эти кубиты можно настроить с помощью форм волны.

QPU отправляет необходимую информацию из набора решений, а QMI обрабатывает информацию и отправляет ее обратно на классический компьютер.

Некоторые платформы облачных квантовых вычислений:

Microsoft Azure Quantum: Microsoft предоставляет такие инструменты, как QDK и квантовые языки сценариев, такие как Q#, для разработки квантовых вычислений. Возможности Azure Cloud обеспечивают доступ к квантовым компьютерам, разработанным его партнерами. Microsoft также разработала свою собственную квантовую систему под названием Station Q. Их подход называется топологическим методом кубитов для стабильных квантовых битов, предназначенных для массового производства квантовых компьютеров.

IBM Q Experience: IBM запустила квантовую сеть под названием IBM Q network в 2016 году. С тех пор IBM стала одним из первопроходцев в экосистеме квантовых вычислений. Доступ к IBM Q можно получить в облаке через Qiskit (комплект для разработки квантового программного обеспечения с открытым исходным кодом).

Amazon Braket: в конце 2019 года Amazon объявила о запуске квантовых вычислений с компанией Bracket. Сочетая квантовые вычисления с облачнфыми сервисами, Amazon предоставляет всю квантовую систему как услугу. Amazon также создала физическую лабораторию под названием Amazon Quantum Solutions Lab.

Quantum Playground от Google: Quantum Playground предоставляет симулятор с пользовательским интерфейсом, языком сценариев и трехмерной визуализацией квантового состояния. Также в конце 2019 года Google объявила о достижении квантового превосходства за счет использования 54-кубитного процессора Sycamore.

Rigetti Forest: Rigetti — стартап в области квантовых вычислений, который привлек в общей сложности 190 миллионов долларов. Их продукт Forest состоит из набора инструментов для квантовых вычислений. Он включает в себя язык программирования, средства разработки и примеры алгоритмов.

D-wave Leap: D-wave — первая компания, предложившая коммерчески доступный квантовый компьютер. D-wave — еще одна стартап-компания, которая привлекла более 200 миллионов долларов. Недавно D-wave systems объявила о возможности бесплатного доступа к своей квантовой системе через облачный сервис Leap во время пандемии COVID-19.

Xanadu выпустила первую фотонную квантовую облачную платформу с 8 и 12 кубитами. Утверждается, что тестируют технологию такие предприятия, как Creative Destruction Labs, Scotia Bank, BMO и Oak Ridge National Laboratory (ORNL).