Квантовые вычисления — это новая парадигма, которая обещает произвести революцию в различных областях вычислительной информатики, особенно в облачных сервисах. Квантовые компьютеры, все ещё находящиеся в зачаточном состоянии, являются дорогостоящей технологией, которая может работать в сильно изолированных средах.

Эта особенность происходит из-за быстрой реакции компонентов на факторы окружающей среды. Это и делает квантовые вычисления сложной технологией для нынешнего широкого применения, даже в продвинутых дата-центрах. Эти проблемы можно решить, интегрировав квантовые вычислительные мощности в изолированный удалённый сервер, сделав его доступным для пользователей по облачной технологии. Но и в этом случае всё не так просто, как может показаться. Тем не менее, эксперты прогнозируют, что квантовые вычисления, с их способностью быстро решать сложные и ресурсоёмкие операции, предоставят значительные преимущества в системах, обрабатывающих большие объёмы данных.

Концепция кванта впервые вошла в обиход, когда она была открыта физиками-атомщиками в начале 1980-х годов. Идея о том, что компьютер может быть создан с использованием квантовой механики, была впервые высказана Ричардом Фейнманом в 1981 году. Поскольку было очень сложно поддерживать стабильность кубитов, работающих на основе квантовой суперпозиции и квантовой запутанности, первые прототипы квантовых компьютеров начали появляться в начале 2000-х годов только благодаря усилиям таких компаний-пионеров, как IBM. Квантовые компьютеры и сейчас все ещё находятся в стадии разработки, но уже прогнозируется, что они могут выполнить самую сложную задачу всего за 200 секунд, на решение которой ушло бы 10 000 лет для лучшего в мире суперкомпьютера. По этой причине сложные и длительные процессы, такие как анализ поведения молекул, могут быть выполнены очень быстро с помощью квантовых компьютеров. Кроме того, очевидно, что квантовые вычисления станут одной из технологий, которые сформируют будущее, поскольку они начнут проникать в военную, гражданскую и коммерческую сферы.

В дополнение к преимуществам, которые они предлагают, присутствует целый ряд ограничений-недостатков, так как этот тип компьютеров требует очень изолированной среды, поскольку они чувствительны к внешним факторам, таким, как тепло или вибрации (даже шум). По этой причине квантовые компьютеры по-прежнему являются дорогой и сложной в стабилизации технологией для конечных пользователей. Идея о том, что исследователи могут получить доступ к ресурсам квантовых компьютеров путём интеграции квантовых компьютеров с облачными вычислениями, была выдвинута как чрезвычайно яркая идея. Было выдвинуто предположение, что квантовый компьютер можно разместить в надёжном изолированном помещении центра обработки данных (ЦОД) и предоставлять услуги конечным пользователям, как к обычным серверам. Именно такая модель называется квантовыми облачными вычислениями, и разным разработчикам может быть предложена услуга платформы, где они могут применять новые алгоритмы для высоко-нагруженных вычислений.

Благодаря своим превосходным вычислительным возможностям, по сравнению с классическими серверами, квантовые вычисления уже вызвали большой ажиотаж в академических кругах и частном секторе. Недавние исследования на востребованность такого рода услуг, показывают, что квантовые вычисления могут использоваться для решения сложных задач во многих областях деятельности: от здравоохранения, механики, аналитики больших данных, до химии, физики, математики и прочих академических дисциплин. Однако доступ к квантовым технологиям по-прежнему остаётся большой проблемой, поскольку для их производства требуются высокие затраты и высокие технологии изоляции. Но, кроме этого, есть ещё ряд нерешённых вопросов.

Квантовые вычисления: модное слово или переломный момент?

В нынешних классических вычислительных системах все операции, такие как обработка данных , связь и хранение, обеспечиваются битами, состоящими из значений ноля и единицы. То есть, бит, представленный нулём, представляет низкое напряжение в электронных цепях, в то время как бит, представленный единицей — относительно высокое напряжение. В современных компьютерах все операции по-прежнему выполняются с помощью двоичной битовой логики. Квантовые вычисления (КВ), как ожидается, будут формировать вычислительные системы будущего, предполагают, что бит может принимать значения, отличные от ноля или единицы. Квант работает на основе трёх основных принципов, обнаруженных в квантовой физике:

1.) Корпускулярно-волновой дуализм: в квантовой механике частицы света, фотоны, считаются и волнами, и материей. Это позволяет обнаружить частицу везде, а не только в одном месте;

2.) Принцип неопределённости: этот принцип, также известный как принцип Гейзенберга, утверждает, что невозможно одновременно измерить положение и импульс фотона;

3.) Суперпозиция: в квантовой механике это означает, что фотон может находиться в более чем одном положении одновременно, и невозможно определить его положение.

Таким образом, для вычислительных операций, таких как связь и хранение, бит может принимать значения, отличные от 0 и 1, а поэтому имеют некоторые преимущества по сравнению с классическими вычислениями:

• Скорость: имеется возможность параллельной обработки, например, выполнение нескольких операций одновременно. Таким образом, квантовый компьютер работает намного быстрее обычных.
• Безопасность: поскольку эта технология имеет возможность очень быстро взламывать алгоритмы безопасности, такие как RSA (Rivest-Shamir-Adleman), это приведёт к развитию концепции квантовой криптографии с гораздо более высоким уровнем шифрования и дешифровки.
• Решение сложных задач: квантовый контроль работает более эффективно в нелинейных и сложных задачах, чем классические компьютерные системы, благодаря описанным выше особенностям и природе кубитов.

Кубит опирается на фундаментальные принципы квантовой механики, на основе которых были разработаны популярные квантовые вычислительные алгоритмы:

а.)  Алгоритм Дойча-Йожсы — это детерминированный квантовый алгоритм, открытый Дэвидом Дойчем и Ричардом Йожсой в 1992 году. Он подчеркивает преимущество использования отрицательных амплитуд, которые классические компьютеры не способны выполнить в принципе.

б.) Квантовый алгоритм Бернстайна-Вазирани, который является ограниченной версией предыдущего, разработан Итаном Бернстайном и Умешом Вазирани в 1992 году, решает проблему скрытого сдвига, которая важна для исправления ошибок и криптографии.

в.) Алгоритм Саймона используется для решения функции чёрного ящика, которая выполняет заданный набор значений и решает её с гораздо более экспоненциальной скоростью, чем любой классический алгоритм, с использованием квантового компьютера.

г.) Алгоритм Саймона послужил источником вдохновения для алгоритма Шора, который разработан Питером Шором в 1994 году для поиска простых множителей целого числа.

д.) После этих алгоритмов, которые были основаны на преобразовании Фурье, алгоритм Гровера является истинно квантовым, который предлагает кардинальное улучшение для неструктурированных задач поиска, разработанных на основе амплитудного усиления, что позволяет квантовым компьютерам быстро решать задачи, которые могут быть трудно решить с помощью классических компьютеров. А, соответственно, и квантовый счёт был разработан на его основе.

е.) Наконец, недавно была представлена ​​квантовая приближенная оптимизация — гибридный квантово-классический алгоритм, который фокусируется на решении задач теории графов и, как прогнозируется, обеспечивает получение лучших решений, чем все предыдущие.

А вот программное обеспечение для этих, принципиально новых, вычислительных систем, является новой и менее развитой темой, чем квантовая технология. Ожидается, что программное обеспечение, которое управляет таким оборудованием, сможет использовать сложные квантовые методы и обеспечивать высокую производительность. В настоящее время существуют различные платформы для программирования квантовых компьютеров, в зависимости от аппаратных решений. Одной из них является Qiskit (Quantum Information Science Kit), комплект для разработки ПО, созданный специалистами IBM в 2017 году для работы квантовых компьютеров на уровне алгоритмов и схем. Другой вид программного обеспечения, названный Cirq, это фреймворк с открытым исходным кодом, разработанный Google. Существуют и прикладные программы — например, PyQuil, который позволяет запускать программы на реальных квантовых компьютерах с использованием сервиса квантовых облачных вычислений (недавно был разработан Rigetti Computing). Эти фреймворки часто предоставляются разработчиками квантовых вычислений с открытым исходным кодом и API (интерфейсом прикладного программирования) на языке Python.

Но, несмотря на все свершившиеся изобретения, есть проблемы, возникающие из квантовой механики, которые до сих пор не преодолены и в квантовых компьютерах. Их можно в общих чертах представить под двумя подзаголовками:

1.) Кубиты теряют данные из-за ситуации, называемой в квантовой механике декогеренцией – она представляет собой схлопывание волновой функции в результате взаимодействия со средой. Во время декогеренции у самой системы появляются классические черты, которые соответствуют информации, имеющейся в окружающей среде. Это не скачкообразный, а постепенный процесс. Невозможно отслеживать отдельный электрон, не изменив его состояние, поскольку при столкновении фотона и электрона они оба изменяют и свою энергию, и траектории). Это приводит к тому, что время когерентности становится коротким, что нежелательно в приложениях, работающих с данной технологией.

2.) Квантовая коррекция ошибок представляет собой значительную проблему. По сравнению с классическими компьютерами, коррекция ошибок является сложной задачей в квантовых компьютерах из-за более сложных ошибок и трудности копирования квантового состояния.

Но и это ещё не все проблемы.  Есть ещё целый ряд интеграционных сложностей, которые предстоит решать не только производителям квантовых систем. Приведём в этой статье некоторые из них.
Квантовый искусственный интеллект (QAI — Quantum Artificial Intelligence): объединяя методы машинного и глубокого обучения с квантовой вычислительной мощностью, можно эффективнее решать сложные, комплексные проблемы. Однако в квантовых компьютерах, которые по-прежнему содержат большое количество кубитов (миллионы), такие проблемы, как внутренний шум, могут снизить производительность моделей.

В отличие от традиционного Интернета, коммуникация в новых системах достигается с использованием квантовых принципов, таких, как суперпозиция и запутанность. Таким же примерно образом, предотвращаются трудности распределения ключей в криптографии и повышается безопасность связи. Но, в дополнение к этому преимуществу, необходимо решить такие трудности, как хрупкость кубитов и надёжная передача большого потока информации на большие расстояния (дисперсия запутанности), возникающие из квантовых данных.

Считается, что современные методы криптографии окажутся под угрозой из-за распространения квантовых компьютеров с высокими вычислительными возможностями. По этой причине необходимы новые меры, основанные на квантовых принципах, для обеспечения безопасного распределения ключей и шифрования. Основанная на квантовых принципах, такая криптография высшего порядка может помешать хакеру сделать копию и отслеживать ключ в алгоритме шифрования, но если эта технология сама окажется в руках злоумышленника, то многие современные системы безопасности окажутся под угрозой. Из-за простоты взлома традиционных криптографических методов широкое использование квантовых компьютеров потребует разработки новых криптографических методов, устойчивых к мощности квантовой обработки. Опять же, в этом аспекте, по-прежнему существует потребность в новых протоколах квантовой криптографии, которые минимизируют влияние факторов окружающей среды на кубиты и предотвращают потерю данных из-за декогеренции во время передачи.

Предоставление квантовой вычислительной мощности исследователям через облачные платформы обеспечит большие преимущества для разработки квантовых алгоритмов, моделирования и новых приложений на этой основе. Однако для квантовой и облачной интеграции все ещё необходимо провести ряд исследований по безопасности, масштабируемости (в соответствии с растущим спросом), инфраструктурных решений и программного обеспечения разграничения доступа. Квантовыми компьютерами сложно управлять в больших масштабах, и они могут не соответствовать той степени быстрого развёртывания, ожидаемой в облачных сервисах.

Кроме того, есть опасности этического порядка и справедливой конкуренции: хотя квантовые вычисления создают новые возможности в области применения в бизнесе, они также могут негативно повлиять на некоторые направления существующих отраслей и сами компании (которые не смогут воспользоваться данным преимуществом из-за недостатка квалифицированных кадров, опыта, знаний). Всё это увеличивает технологическую несправедливость и может привести к банкротству многие небольшие фирмы, а, следовательно, к повышению уровня безработицы.