Зачем банкам квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры сегодня на начальном этапе развития, но на них уже делают ставку во многих сферах жизни, в том числе в финансовой. Расскажем, как эти сверхпроизводительные машины помогают считать деньги. И не только.

Подготовить этот материал нам помог руководитель группы Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус» Сергей Петренко.

Что такое квантовый компьютер

Квантовый компьютер не похож на обычный. Привычные нам машины оперируют битами, которые физически соответствуют транзисторам. А квантовые работают с кубитами, которые физически воплощены в одноимённых квантовых объектах (сверхпроводящих, фотонных и ионных, либо в твердотельных квантовых точках на полупроводниках). В отличие от бита, который может выражаться только в виде ноля или единицы (в зависимости от того, есть в полупроводниковом транзисторе электрический заряд (1) или нет (0)), кубит — это и ноль, и единица одновременно. Впрочем, это очень упрощённое понимание. По-другому можно сказать, что во время вычисления кубит принимает вероятностное значение, а в конце проецируется на ноль или единицу. Теоретически это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного преимущества (квантового превосходства) над обычными компьютерами по некоторым алгоритмам.

Первый кубит на базе ионов бериллия и магния Фото: © Blakestad / NIST

Как правило, чем больше у квантовой машины кубитов, тем она производительнее (впрочем, здесь тоже не всё однозначно, об этом ниже). У привычного компьютера вычислительная мощность и объём памяти определяются количеством битов: добавление одного транзистора увеличивает память на 1 бит. В квантовом компьютере добавление одного кубита увеличивает память в два раза. 1 кубит имеет всего два состояния (0 и 1), 10 кубитов — уже 1024 состояния, а 50 кубитов (компьютер с такой мощностью недавно удалось построить в России) — 1 125 899 906 842 620 состояний. 

Почему квантовых компьютеров мало

«Лавинообразный» прогресс в информационных технологиях и производстве компьютеров в ХХ веке произошёл во многом благодаря изобретению в 1948 году транзистора. Сегодня ситуация другая — для производства квантовой компонентной базы нет доступной всем дешёвой технологии. 

Несмотря на то что квантовые компьютеры строят, причём весьма мощные, технологии массового производства квантовых чипов пока не существует. Нет и чёткого понимания, какая физическая платформа для этого оптимальна. Сейчас рассматриваются четыре варианта: сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы и фотоны. У каждого есть свои плюсы и минусы. Например, в сверхпроводниковых процессорах много кубитов, но в ионных лучше качество вычислений (низкий уровень ошибок).

Во многих странах, в том числе в России, разработки квантовых компьютеров ведутся параллельно на всех четырёх типах платформ Фото: © МГТУ им. Н. Э. Баумана

Объём полезных вычислительных операций зависит не только от количества кубитов, но и от продолжительности их «жизни». Чем дольше квантовая система находится в стабильном (связанном) состоянии, тем сложнее его удержать — этот показатель растёт по экспоненте. Поэтому такому компьютеру важно стабильно сохранять когерентное состояние, то есть способность существовать и хранить информацию, а также поддерживать слаженное функционирование как можно большего количества кубитов одновременно. 

«Сегодня наибольшее распространение получили вычислительные устройства на сверхпроводниках. В частности, Zuchongzhi — 66 кубитов (USTC, Китай); Hummingbird — 65 кубитов (IBM, США); Sycamore — 54 кубита (Google, США); Tangle Lake — 49 кубитов (Intel, США) и др. В конце 2023 года компания IBM представила квантовый процессор Condor с 1121 кубитом, а также модульный процессор Heron, объединяющий сразу несколько 133-кубитных блоков. В планах IBM в 2025 году разработать квантовую систему, у которой будет больше 4 000 кубитов. А Google обещает представить квантовый облачный вычислитель с 1 миллионом кубитов к 2029 году. По данным на декабрь 2024 года, самый быстрый квантовый компьютер — 105-кубитный чип Willow от Google. Он способен выполнить менее чем за пять минут вычислительную задачу, которая, по словам представителей компании, займёт у одного из самых быстрых суперкомпьютеров в мире 10 септиллионов лет, что превышает возраст Вселенной», — рассказал Сергей Петренко.

В России тоже интенсивно ведут исследования в этой области. В 2022 году отечественные учёные представили высокопроизводительный эмулятор 34-кубитного квантового компьютера. Программа воспроизводит квантовый компьютер и может уместиться на небольшом сервере. Её можно использовать для тестирования и создания квантовых алгоритмов. В следующем году были созданы два первых квантовых компьютера с 16 кубитами: один из них — на ионной платформе, другой — с использованием технологии нейтральных атомов. Разработаны процессоры на сверхпроводниках и фотонах. А летом 2024 года был запущен первый российский высокоточный сверхпроводниковый квантовый процессор Snowdrop 4Q, на котором можно реализовать серию подробных алгоритмов. 

Осенью 2024 года учёные из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра представили первый отечественный 50-кубитный ионный квантовый компьютер на уникальной технологии кубитов. Сегодня лишь несколько стран обладают подобными машинами. В планах российских учёных создание 100-кубитного квантового компьютера к 2030 году.

Несмотря на достигнутые успехи, Россия лишь преследует мировых лидеров в области квантовых вычислений; для устранения этого отставания в стране сформированы профильные центры Фото: © Сетевое издание «CNews»

Для обеспечения российских компаний профильными специалистами в Научно-технологическом университете «Сириус» разработаны программы дополнительного профессионального образования «Квантовая информатика и информационная безопасность» и «Практическое применение квантовых алгоритмов». 

«Кроме того, создаётся новая образовательная программа для подготовки специалистов по разработке универсальных библиотек квантовых алгоритмов независимо от используемых квантовых платформ и чипов. Разработчики, владеющие навыками создания программ для квантовых компьютеров, получат конкурентное преимущество по мере развития квантового „железа“», — рассказывает Сергей Петренко. 

Также по новой программе будут готовить специалистов, способных создавать «трансляторы» квантовых моделей физических процессов и систем, позволяющих синтезировать требуемые высокоточные модели индустриальной размерности.

Квантовые технологии в финансах

Естественно, финансовые технологии не могут не поспевать за общими тенденциями. И хотя со многими проблемами классические компьютеры неплохо справляются, есть категории задач, которые они решают плохо. Например, оптимизация.

В 2024 году МГТУ им. Баумана и ВНИИА им. Духова открыли первое в России контрактное производство сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах Фото: © МГТУ им. Н. Э. Баумана

Один из наиболее ярких примеров комбинаторных задач — задача коммивояжера (Travelling Salesman Problem, или TSP). Цель — найти для торгового агента оптимальный маршрут с посещением заданного числа клиентов при разумных затратах (времени, бензина и т.д.). 

Доказано, что если точек, которые нужно посетить 66 или больше, точное решение методом перебора всех возможных путей займёт миллиарды лет даже у самого высокопроизводительного классического компьютера. А квантовый компьютер сможет решать эту задачу для сотен и тысяч пунктов за вполне разумное время: от нескольких секунд до нескольких часов. 

«Мы видим интересную тенденцию, когда разработчики квантовых компьютеров и квантовых алгоритмов предъявляют сообществу новое решение. Говорят, мол, на квантовом компьютере решим быстрее. Это вызывает мгновенную реакцию у тех, кто занимается классическим алгоритмами. Они говорят: нет, вы сравниваете не с наилучшим классическим алгоритмом, на самом деле его можно сделать более эффективным», — рассказывает руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии Университета науки и технологий МИСИС Алексей Фёдоров.

Квантовые технологии дают банкам, которые их используют, стратегическое преимущество, существенно ускоряя выполнение их финансовых операций и качество предоставляемых услуг. Они предоставляют кредитным организациям новые и более эффективные инструменты управления рисками, инвестициями и портфелям финансовых услуг.

Квантовый компьютер D-Wave одноимённой канадской компании активно используется на финансовом рынке  Фото: © D-Wave Systems

Криптография сегодня активно внедрена в повседневную жизнь клиентов банков, и обычно они её даже не замечают. Каждое касание экрана в банковском приложении задействует большое количество алгоритмов шифрования данных. Лежащие в основе этих механизмов математические основы базируются на гипотезе задач с высокой вычислительной сложностью. С появлением квантовых машин появилась возможность решать такие задачи за разумное время. 

«Постквантовая криптография — новое поколение алгоритмов, которые строятся на других математических принципах, на тех задачах, которые квантовый компьютер не ускоряет (например, хеш-функция, которую сейчас активно используют в криптографии). На них можно построить вполне понятные системы защиты информации. Мы сейчас активно тестируем такие решения. Дополняющая это технология называется квантовым распределением ключей. Речь о том, чтобы использовать отдельные квантовые системы, отдельные фотоны для того, чтобы два удалённых пользователя могли распределить криптографический ключ. Важное преимущество — защищённость этого криптографического ключа гарантируется фундаментальными физическими законами. Эту технологию мы тоже сейчас развиваем», — объясняет Алексей Фёдоров. 

Оцените статью
Поделись знанием

Рекомендуем

1
Летные испытания первой квантовой системы навигации прошли успешно #авиация #квантовые технологии 21 мая 2024 11:25
2
Книга недели: о квантовой механике простым языком #книги #физика 19 августа 2024 15:40
3
Книга недели: квантовое превосходство #книги #квантовый компьютер 09 сентября 2024 11:03