Зачем нам квантовый компьютер

Несколько лет назад разговоры о квантовых компьютерах звучали скорее как вечерние фантазии физиков-теоретиков, хотя IT-World рассказывал о них еще в 2017 году. Теперь же в очередь за квантовой мощностью выстраиваются банки, фармгиганты, химики и даже оптимизаторы логистики. И действительно, IBM утверждает: к 2029 году их Starling станет первой в мире масштабируемой отказоустойчивой квантовой системой.

Это примерно 200 логических кубитов и сотни миллионов, если не миллиарды, операций.

Для сравнения: чтобы хотя бы просто записать состояние такого компьютера, понадобилось бы больше памяти, чем у октиллиона (10⁴⁸) современных суперкомпьютеров. Такой подход сразу отметает желание симулировать квантовую машину «по старинке» — даже фантазиям физиков тут не разгуляться.

Откуда вообще этот ажиотаж? Классические компьютеры оперируют битами: либо 0, либо 1. Квантовый — кубитами, которые могут быть и тем и другим одновременно. Благодаря суперпозиции и квантовой запутанности, кубиты дают экспоненциальный прирост мощности при каждом новом «участнике команды». Это позволяет обрабатывать сразу миллиарды вариантов решения, а не перебирать их по одному, как в привычных системах.

Но есть нюанс: квантовые вычисления капризны и требуют защиты от ошибок. Вот почему сейчас одна из главных битв идёт за надёжность и стабильность. IBM, например, делает ставку на новый код коррекции ошибок qLDPC. Он должен снизить «расход» физических кубитов на порядок, делая путь к настоящему квантовому преимуществу чуть менее тернистым.

План IBM амбициозен: к 2026 году мы впервые увидим так называемое квантовое преимущество — тот момент, когда квантовый компьютер уверенно обыгрывает классический не в учебной задаче, а в реальном бизнес-кейсе. За этим последует дебют модульных процессоров Kookaburra и Cockatoo, которые умеют объединяться в крупные вычислительные узлы. В 2029 году в бой должен вступить Starling, а к 2033-му компания уже готовит Blue Jay с двумя тысячами логических кубитов и миллиардом вентилей. Если всё пойдёт по плану, в очереди за «кубитами по подписке» скоро окажутся новые отрасли.

Впрочем, IBM — не единственный игрок на этой площадке. Google уверенно держится в лидерах: их чип Willow на 105 кубитов в 2024 году решил задачу, на которую у классического суперкомпьютера ушли бы миллиарды лет. D-Wave двигает вперёд отжиговые квантовые машины (в Advantage2 уже больше 4400 кубитов). Это решение используется для оптимизационных задач: например, логистические цепочки или расписания.

И хотя такие системы пока не универсальны, их коммерческий успех впечатляет — рост выручки на 509% за год. Microsoft делает ставку на топологические кубиты, которые в теории менее чувствительны к ошибкам, но пока находятся на стадии прототипа. А IonQ и Quantinuum не жалеют средств на развитие ионных технологий, уже предлагая квантовые мощности через облако.

Отдельная гонка развернулась в Китае и Европе. К примеру, Baidu строит интегрированные фотонные платформы, а Великобритания инвестирует миллиарды фунтов в национальные квантовые центры. Ведущие европейские и азиатские команды вкладывают силы и в нейтральные атомы, и в фотонные кубиты — у каждой технологии свои плюсы и минусы, но результат один: квантовые новости теперь поступают не раз в год, а каждый месяц.

Россия в этой истории не на задворках. Страна делает ставку на четыре платформы: сверхпроводниковые, ионные, атомные и фотонные кубиты. МФТИ показал первый отечественный 12-кубитный процессор, «Росатом» уже перешёл порог в 20 и 25 кубитов, а к концу 2024 года в облако вышел 50-кубитный ионный квантовый компьютер (совместно с ФИАН и РКЦ). В лабораториях появляются эмуляторы на 30 кубитов и целая волна новых алгоритмов, а госпрограммы только наращивают обороты. «Росатом» совместно с «ПостНаукой» запустили путеводитель по квантовым технологиям.

По темпам внедрения и точности новых технологий российские инженеры постепенно сокращают отставание: например, разработка iDEA позволяет контролировать параметры сверхпроводниковых кубитов с точностью ±0,2 ангстрема и получать 99% годных элементов — результат сравним с западными стандартами.

И зачем вообще всё это бизнесу? Квантовые вычисления уже сейчас начинают менять правила игры там, где классические методы не справляются: моделирование молекул, разработка новых материалов, финансовые и логистические задачи, оптимизация цепочек поставок, даже криптография. Одна из главных угроз — взлом современных систем шифрования, который станет возможен после появления хотя бы 1500 логических кубитов. Под угрозой взлома – криптоалгоритмы, защищающие не только традиционные платежные системы, но и криптовалюты. Пока это только долгосрочный риск (такие машины появятся, возможно, к 2040 году), но крупнейшие IT-компании уже готовят свои системы к «постквантовой» эпохе.

Однако, до массового появления квантовых компьютеров в офисах ещё далеко. Да, облачные платформы уже дают доступ к квантовым алгоритмам, да, крупнейшие компании запускают пилотные проекты и тестируют алгоритмы на реальных задачах, а инвестиции в квантовый сектор уже превысили $2,3  млрд. Но путь к «кубитам в каждый дом» всё ещё не близкий. Пока квантовые компьютеры не конкуренты обычным ПК, а новый рабочий инструмент для узкой группы профессионалов и компаний, готовых к экспериментам.

Но уже через 5–10 лет квантовые вычисления могут стать привычной частью цифровой инфраструктуры крупных компаний. Всё чаще они будут использоваться для того, что раньше считалось невозможным или слишком дорогим. А значит, фраза «зачем нам квантовый компьютер?» скоро исчезнет сама собой. Останется только вопрос — «почему так долго ждали?»