Квантовым компьютерам санкции не страшны

В четвертый или пятый пакет санкций попал весьма забавный и примечательный пункт. Страны ЕС запретили поставки квантовых компьютеров в Россию! После подобных анонсов появляются мысли про интеллектуальную огранниченность составителей или о неудачном легализованнoм фейком Брюсселя, с рассчётом на слабое понимание технологий обывателем. И вот почему.

Традиционный персональный компьютер (ПК) работает как огромная счётная машина. Причём “мозг” (процессор) этой машины способен понять всего две цифры–ноль или единицу (0 или 1). Текст, картинки, компьютерные игры и различные программы ( которые создают при помощи разнообразных языков программирования) переводятся на простейший “машинный язык” (ассемблер).

Например, цифра "5", даже когда вы видете её таковой на экране монитора, на машинном языке будет записана как “01011”; слово “кот" будет записано как “1011100110101”.

Машинный язык похож на азбуку Морзе, где все буквы и знаки препинания кодируются символами “точка” или “тире”.
Перевод (компиляция) всех действий и информации в ПК происходит при помощи электрического тока и транзисторов, последние работают как ворота или клапаны - положение “открыто” (ноль) или „закрыто" (единица).

Изначально транзисторы были размером с грузовик. Спустя почти 80 лет они практически достигли своего технологического предела. И эта разница - впечатляет! Сегодня, на микросхеме произведенной по новому 2-нанометровому процессу (2 нм), на одном квадратном миллиметре, технологии позволяют разместить около 333 миллионов транзисторов. Например, вот в этом конкретном квадрате-∎(5 мм x 5 мм = 25 мм x 333 млн.) сможет поместиться около 8 миллиардов транзисторов!

Тем не менее, при всех достижениях в микроэʌектронике, проблемы традиционных ПК заключаются в крайне длительных и трудоёмких вычислительных процессах в случае огромного множества вводной информации. Одна нагрузка при работе с текстовым файлом и совершенно другая при обработке видео-файлов, где требуется произвести в тысячи раз больше вычислений.

С появлением интернета вещей (IOT), различных носимых и стационарных гаджетов, сетей 5G и 6G, автомобилей без водителей, объёмы обрабатываемой информации выросли и продолжат расти в миллиарды раз. Традиционные ПК не смогут обеспечить необходимый темп для дальнейших технологических инноваций.

Один из самых мощных компьютеров в мире - Blue Gene от IMB (США, Калифорния) используется для разработки элементов водородных боеголовок. Этот компьютер занимает площадь в 1000 м², совершает 500 триллионов операций в секунду, его обслуживают 6800 человек, вся территория объекта 320 га, и его содержание обходится в сумму 1,2 млрд. долларов в год. Если этому мегакомпьютеру изменить задачу с рассчёта математических уравнений на исследовательскую функцию, то окажется, что вся его невероятная мощь сможет смоделировать в лучшем случае… мозговую деятельность обычной серой мышки!

Осознав ограниченность традиционного ПК, учёные стали искать принципиально иную архитектуру для нового поколения компьютеров. Мечта любого фантаста-машина с вычислительными способностями компьютера, интегрированная с возможностями человеческого мозга. Вот исследователи и занялись амбициозной задачей по разработке компьютера по принципам работы мозга человека.

Наш мозг состоит из более чем 100 млрд. нейронов и точно превосходит по сложности любой объект до ближайшей от земли звезды.
Для моделирования полноценной работы мозга человека самым мощным компьютерам понадобилось бы не менее 1,5 гвт энергии (типовая мощность энергоблока атомной станции), а также территория размером с Москву... В сравнении, наш мозг использует всего 20 вт энергии и весьма эргономично размещен в голове.

Традиционный ПК превосходит нас по скорости производимых вычислений, которая практически приближается к скорости света. Нервные импульсы человека, в сравнении, крайне медленны (около 100 м/сек., что в 3 млн. раз медленнее скорости света), но скорость вычислений не так важна при наличии иных характеристик.
В нашем мозге огромное число процессов происходит параллельно. Одновременно могут работать все 100 млрд. нейронов, а дополнительно, каждый нейрон при этом связан с ещё минимум 10000 других нейронов.

Обычная мысль человека, как объем информации, включает в себя число 2 в степени 100 миллиардов(2¹⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰) возможных начальных состояний и не менее 100 вариантов разнообразия поколений нейронных срабатываний в миллисекунду (2¹⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰)¹⁰⁰ - совершенно недостижимое число операций для какой-либо техники, даже в теории.

Нейробиологи вместе с физиками предположили, что мозг человека работает, в том числе, благодаря квантовым законам на атомном уровне. Лучшие умы мира начали создавать модель квантового компьютера, который смог бы управлять сотнями и миллионами атомов на принципах квантовых законов, производящих триллионы параллельных вычислительных операций в секунду.

Ожидания и надежды учёных выглядят до сих пор крайне перспективно. Квантовый компьютер при вычислениях любой сложности, с любым множеством вводной информации, благодаря одновременной параллельной работе не только математическими способами, будет решать любые задачи за секунды. В то время, как даже самый мощный в мире традиционный ПК, методом стандартного перебора всех вариантов поочереди, будет считать эти же задачи веками.

Представьте, вам необходимо подобрать трёхзначный код на сейфе. Традиционный ПК методом перебора начнёт с “ 001” и дойдет до “999”, дёргая ручку сейфа при каждой попытке пока не найдется верная. Квантовый же компьютер, с помощью возможности одновременных параллельных операций, перед тем как действовать, создаст число всех возможных вариантов и при первой же попытке дернет ручку сейфа одно временно всеми вариантов кода. Правильная комбинация определится моментально, как и отпадут все неверные, всего за единственную попытку....А в это время, традиционный ПК будет усердно “пыхтеть" и методично перебирать каждый вариант отдельно.
Правда, не всё так просто. В квантовой теории есть ряд нюансов. Например, одно и то же действие или событие может иметь разные результаты. Согласно теории, в квантовом мире не всегда получится "2+2=4”, а лишь иногда. Альтернативный ответ суммы этих чисел может быть любым - и 5, и 7, и 13... .

Человеческий мозг также умышленно допускает ошибки, но взамен дарит способности к творческому воображению и моделированию будущего.

Квантовым компьютерам разработчики предлагают самостоятельно исправлять ошибки с помощью статистической выборки из большого числа повторений одной и той же задачи, а так же создание особой квантовой памяти ошибок на базе самообучающихся нейронных сетей.
Как вы уже поняли, пусть и с нюансами, но квантовый компьютер - это умопомрачительная технология будущего, позволяющая за считанные мгновения просчитать и создать, например, лекарство от любой болезни, расшифровать любой неквантовый пароль или сделать перевод любого древнего манускрипта. Да и вообще, создавать недостижимые ранее изобретения.

Увы, но пока купить такой чудо-компьютер не смогут даже участники рейтинга ФОРБС. И ведь дело совсем не в деньгах. К сожалению, на данный момент в мире не существует даже законченной теории, как подобный квантовый компьютер можно создать. О производстве, тем более, и речи не идёт.

Ключевая проблема при создании квантового компьютера заключается в невозможности устранить внешние раздражители при современном уровне развития науки, которые с легкостью нарушают хрупкое равновесие атомов. Представьте, какой должна быть технология, чтобы суметь заставить сотни или миллионы атомов одновременно делать для вас параллельные вычисления.

Во-первых, атом совсем не ручной песик или послушный предмет созданный человеком. Он, сам по себе, порой может вести себя непредсказуемо.
Во-вторых, известно, что кроме атома в любом веществе может находиться еще до 25 иных частиц. Каждая из которых также со своим “характером". А о скольких ученым ещё не известнo?
В-третьих, квантовый компьютер должен работать на основе квантовых законов, пока которые скорее отрицают послушное синхронное управление миллионами атомов, чем допускают такую возможность. Тем более, квантовый компьютер не смогут создать по подобию мозга человека пока не узнают все секреты работы самого мозга. До этого крайне далеко, если вообще возможно. Не все нейробиологи согласны с предположением о квантовой природе работы мозга человека. Да и у физиков вопросов предостаточно. Наш мозг нарушает 2-ой закон термодинамики и пока этому нет чёткого объяснения. Хотя учёные научились заглядывать внутрь “чёрных дыр” в космосе, мозг человека так и остается серьезной загадкой.

Когда все же придумают квантовый процессор, позволяющий атомам колебаться синхронно друг с другом для выполнения вычислений, то это равновесие будет крайне трудно оградить от наимельчайших внешних раздражителей. Гул двигателя от проезжающей машины, магнитная буря или пролетевшая невидимая космическая частичка будут способны нарушить синхронность работы атомов и погубить любой процесс вычислений. Пока не существует технологий или материалов для ограждения от всех помех квантовую работу атомов при вычислениях, особенно, в миллионных масштабах.
В лабораториях уже несколько десятилетий создают прототипы квантовых компьютеров, экспериментируя с приручением атомов. Этим опытным образцам уже под силу произвести такие вычисления, как 5х7=35.

С точки зрения науки, подобное является потрясающим достижением, ведь вычисления производятся на отдельных прирученных атомах. У обывателя, такие "достижения” вычислительной мощи квантового компьютера вызовут лишь улыбку.

Для настоящего прорыва в создании квантовых компьютеров нужно дополнить открытиями теорию в квантовой физике, создать теорию свойств высокотемпературных сверхпроводников и открыть инновационные составы материалов под требования будущего квантового компьютера. Эх... Всего-то… .

Доверяя серьезным экспертам теоретической физики (мой выбор - сет ллойд (seth lloyd), митио каку (michio kaku), герд бенниг (gerd binnig)), можно прогнозировать появление целостной теории квантового компьютера к 2045-2050 году, а фактическое производство, в этом случае, сможет стартовать к началу 22-го века!

Кстати, тот, кто сможет придумать целостную теорию квантового компьютера, получит все ценные премии в мире, включая нобелевскую, и не будет нуждаться ни в чём до конца cвоих дней.
Досадно, что составители санкций из ЕС о запрете на поставку квантовых компьютеров в Россию, не смогут дожить до вступления их ограничений в силу. Хотя, возможно, они ещё успеют найти элексир долголетия....

Возможно, еврочиновники перепутали два различных понятия - “квантовый компьютер” и “квантовые вычисления". Современное понимание термина” квантовые вычисления" не имеют ничего обще го с “квантовыми компьютерами".

Разработка квантовых вычислений - это направление в создании особого программного обеспечения (ПО) с использованием алгоритмов квантовых законов и различных типов нейронных сетей (искусственного интелекта) для работы с традиционными ПК.
Научным языком, квантовые вычисления - это квантовые сети связи на основе квантового распределения ключей.

Такие программы, в теории, будут самостоятельно принимать решения о необходимости совершения тех или иных вычислений для достижения цели, а также будут производить все вычисления параллельно, исходя из распределения ресурсной мощности ПК.
Квантовые вычисления на ПК - своеобразный “тюнинг” для роста эффективности действующих компьютерных технологий.
Конечно, вычислительные возможности настоящих квантовых компьютеров будут в миллиарды раз быстрее, чем предполагаемое ПО. Тем не менее, квантовые вычисления позволят расширить возможности традиционных ПК в тысячи раз.

Бизнес активно финансирует проекты и стартапы связанные с разработкой квантовых вычислений. Приоритет отдаётся направлению создания нового уровня безопасности в цифровом пространстве и шифрованию информации. Следующими важными направлениями идут разработки для финансового сегмента (оптимизация торговли акциями и снижение рисков рассчётов инвестиционных проектов), индустрии материалов и ингридиентов (создание инновационных материалов и продуктов питания с заданными свойствами), фармбизнеса (поиск новых лекарств и их уникальная индивидуализация под клиента) и сфера логистики (рассчёт оптимальных маршрутов по любым параметрaм).

Консультанты McKinsey прогнозируют рынку квантовых вычислений достижения объёма продаж в 1 трлн. долларов к 2035 году.
На данный момент в мире и в России существуют отдельные примеры квантовых вычислений в виде прототипов ПО. Как и в истории с квантовыми компьютерами, готовых решений пока не существует. Программисты стараются создать эффективные алгоритмы на основе квантового хаоса атомов и совместить с работой микроэлектроники традиционных ПК. Для готовности квантовых вычислений прогнозы более оптимистичные. Ждать придётся ещё 10-15 лет.

Например, у двух потенциальных лидеров из евро-австрийскoй Alpine Quantum Technologies и швейцарской ID Quantique, достаточно красивых презентаций, сочных обещаний и фантастических прогнозов, особенно в части готовности не только ПО на основе квантовых вычислений, но и целых квантовых компьютеров! С точки зрения маркетинга, образ и подача для поддержания инвестиционной привлекательности этих компаний, подготовлены профессионально, с тонким рассчётом. Ведь гении и считающие себя таковыми из мира финансов, как правило, далеки от понимания квантовой физики, нейробиологии и программирования искусственного интеллекта.

Любителям и новичкам собственных инвестиций в высокотехнологические проекты, будь то блокчейн, криптоактивы, nft-активы, метавселенные, полеты в космос или на марс, квантовые технологии и т.д., необходимо, как-минимум, предварительно оценивать реальность реализации заявленных технологий, понимать их принцип. Иначе, инвестиции, в лучшем случае, превратятся в спонсорство или благотворительность.

Наиболее сильными странами, с точки зрения уровня развития исследований в сфере квантовых компьютеров и вычислений,
являются Китай, США, Япония, Германия и Великобритания (в порядке убывания по лидерству).

Россия, после развала СССР и почти двадцатилетней паузы в серьезной заботе о развитии науки, активно наращивает свой исследовательский потенциал в инновациях. В 2021 году динамика развития российской науки и вовсе опережала общемировую.
По квантовым технологиям Россия обладает сильными заделами в фундаментальной науке, которые сохранились и развивались благодаря настоящим учёным-патриотам ещё времен СССР.
Возможности в квантовых вычислениях ещё более значительны, ведь у России мировое лидерство в программировании, сверх-активность и достижения в разработках систем с использованием искусственного интеллекта.

Активная руссофобия и дискриминация русскоговорящих в самых развитых странах, затяжные экономические кризисы в каждой стране из-за передела мира, особые меры поддержки для молодежи и IT-специалистов в России, потенциальные программы стимулирования и развития российской науки, консолидация общества для достижения амбициозных целей и настоящий рост патриотизма - ключевые факторы, которые притормозят “утечку мозгов" из России, усилят потенциал развития инноваций в науке и запустят внедрение технологий будущего.

Последние годы богатые и развитые страны нарочито укрепляли тезис “деньги правят миром”. Даже при санкциях существует возможность покупки данных и результатов научных исследований, кроме секретных, у любого зарубежного университета.

Изолировать российских учёных от внешнего мира не получится. Аналогично и с оснащением лабораторий. В небольших количествах можно приобрести любое необходимое оборудование или материалы для исследований, в том числе, через дружеские страны. А при очень большом желании, можно найти варианты для мотивации переезда необходимых учёных для усиления проектов в России. Деньги у государства для таких маневров всегда найдутся.

Российскими учеными, в более чем 20-ти университетах, продолжаются активные разработки в самых сложных и перспективных технологиях квантовой физики ионные ловушки, нейтральные атомы, сверхпроводящие кубиты и фотоны. Успех в этих исследованиях приблизит создание чипов квантовой памяти, квантовых транзисторов и квантовых стимуляторов для будущих квантовых компьютеров.
Кадры для будущего квантовых технологий у России есть и могут увеличиться. Теперь все зависит от правильных действий по координации и поддержки государством. Тормозить развитие могут формальности, бюррократия, безответственность и отсутствие реальной долгосрочной стратегии с промежуточными кон трольными показателями результатов.

Бизнес, визионеры и влиятельные личности должны дополнять государство и публично предлагать коррекции стратегии поддержки науки.
Всем сторонам вместе необходимо стараться еще активнее мотивировать студентов, ученых и университеты на квантовые подвиги и иные инновационные прорывы.
Как от слов перейти к делу? Это тема для другой заметки, но здравых и реальных вариантов хватает. Было бы искреннее желание и ответственность за свои действия.

России вполне под силу стать мировым лидером по квантовых вычислений, а чуть позже и в создании квантовых компьютеров.
Ах, да! К этому моменту, история про санкции на несуществующие технологии станет для потомков анекдотом или мемом!

Ну, а если всё же не получится ни в России, ни в мире с квантовыми компьютерами? Есть ли ещё альтернативы технологий традиционных ПК? Ведь кремневые возможности микросхем в течении 3-5 лет окончательно дойдут до предела (около 500-600 млн. транзисторов на мм²). Скоро увеличивать вычислительную и производительную мощность у инженеров микроэлектроники не получится.

Вполне возможно, что и попытки ученых смоделировать квантовый компьютер на принципах работы мозга человека закончатся провалом. С одной стороны, сам мозг человека изучен недостаточно. Гипотезы о квантовой природе взаимодействия миллиардов нейронов лишь предположения нейробиологов. Равно, как и настоящий искусственный интеллект, а не программируемые человеком нейросети, возможно так никогда сам и не возникнет.

С другой стороны, ни один транзистор, какой бы он передовой технологии не был бы, не в состоянии точно воспроизвести поведение нейронов мозга человека, которые умеют осуществлять одновременно как аналоговые, так и цифровые вычисления. Вот такие у нас навороченные нейроны!

Одна весьма достойная альтернатива, на мой взгляд, все же существует. Ближайшим конкурентом нашего мозга считается ДНК, особенно в части возможности хранения информации. В ДНК человека 3 млрд. пар оснований, причём каждая из них содержит один из четырех нуклеотидов (они обозначаются - A, T, C, G). Получается, что полное количество информации, которое может храниться в ДНК человека равно четырем в степени три миллиарда (4³ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰).

Конечно, даже в сравнении с базовым состоянием мысли человека (2¹⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰ ⁰⁰⁰)¹⁰⁰ ДНК не может сравниться. Зато именно потенциальные возможности ДНК превосходят все известные технологии в современной микроэлектронике.

На основе структуры молекулы ДНК-человека можно создать модель биокомпьютера. Традиционный ПК использует нули и единицы, а ДНК - компьютер сможет задействовать вариации из 4-х элементов (A, T, C, G), что кратно увеличит вычислительный потенциал.

В теории, ДНК-компьютер может производить вычисления два в соответствии с различными реакциями между фрагментами ДНК, создавая химические реакции одновременно между множеством молекул независимо друг от друга. При этом будет создаваться большое число параллельных вычислений, недостижимых для традиционного ПК, правда, скромнее потенциала квантового компьютера.

Результаты параллельных вычислений в виде информации возможно записывать в сверхобъёмную микросхему памяти благодаря спиральному положению молекул и атомов нуклеотидов в пространстве (по форме молекулы ДНК-человека).
Любопытно, что ещё в далеком 1994 году ученый-исследователь Эдлман на опыте продемонстрировал возможность молекул ДНК-человека решать вычислительные задачи, труднореализуемые для традиционных ПК.

Потенциал есть. Почему бы не развивать одновременно две альтернативы традиционному ПК? Вопрос, скорее всего, к профильным учёным, политической воли и ресурсным возможностям Минфина....
В 1931 году австрийский математик Курт Гёдель доказал, что мир чистой математики неисчерпаем и никакое конечное число аксиом или логических правил не в состоянии охватить всю математику. Мир физики, биологии и химии тоже неисчерпаем. Без разницы, сколько потребуется науке времени.

Истинные первооткрыватели всегда смогут наблюдать новые явления и получать результаты для расширения пределов возможного в жизни!
Итогом заметки пускай станут слова Фёдора Достоевского:
“Если бы всё на земле было разумно, ничего бы не происходило”.

Благодарю за внимание и любознательность к технологиям!