Квантовый компьютер размером с графическую карту ПК? Один австралийско-немецкий стартап говорит, что они работают над технологией, которая сможет предоставить это в течение пяти лет. 

Сегодня, конечно, квантовые компьютеры обычно размером с мэйнфреймы. Тем не менее, стартап Quantum Brilliance представил готовый к выходу на рынок квантовый компьютер на основе алмаза размером с модуль серверной стойки. Они говорят, что их предполагаемые устройства размером с видеокарту к 2026 году могут найти дом на борту спутников и автономных транспортных средств.

В то время как классические компьютеры включают или выключают транзисторы, чтобы символизировать данные как единицы или нули, квантовые компьютеры используют квантовые биты - кубиты, которые из-за сюрреалистической природы квантовой физики могут существовать в состоянии суперпозиции, где они равны 1 и 0. в то же время. По сути, это позволяет каждому кубиту выполнять два вычисления одновременно.

Если два кубита квантово-механически связаны или запутаны, они могут помочь выполнить 2 ^ 2 или четыре вычисления одновременно; три кубита, 2 ^ 3 или восемь вычислений; и так далее. Теоретически квантовый компьютер с 300 кубитами мог бы выполнить больше вычислений за мгновение, чем атомов в видимой Вселенной.

Недостатком многих квантовых компьютеров является то, что им требуются более низкие температуры, чем в глубоком космосе, а также сложные системы для управления ими. Таким образом, сегодня они обычно представлены в виде шкафов размером с большой громоздкий мэйнфрейм и предназначены для решения только самых сложных и трудноразрешимых проблем, возможно, доступных в режиме онлайн через облако .

Теперь Quantum Brilliance заявляет, что они разработали коммерчески доступный квантовый компьютер на основе синтетического алмаза, который может работать при комнатной температуре. «Это размер настольного компьютера или 19-дюймовой стойки» , - говорит Маркус Доэрти, квантовый физик и главный научный сотрудник Quantum Brilliance.

Технология Quantum Brilliance основана на дефектах в алмазах, каждый из которых приводит к отсутствию атома углерода в кристаллах с расположенным поблизости атомом азота. Эти так называемые « азотно-вакансионные центры » служат кубитами, а алмаз помогает защитить их от тепловых повреждений и магнитных примесей, позволяя работать при комнатной температуре.

«Алмазные квантовые вычисления существуют с 2001 года», - говорит Доэрти. «Но в 2015 году он столкнулся с препятствием для масштабирования за пределы горстки кубитов. Сейчас Quantum Brilliance преодолевает этот барьер».

Вместо квантовых мэйнфреймов Quantum Brilliance стремится создавать так называемые «квантовые ускорители» - компактные и надежные квантовые компьютеры, похожие на графические ускорители на персональных компьютерах. В марте Quantum Brilliance объявила , что в июне установит свои первые квантовые ускорители в суперкомпьютерном центре Pawsey в Перте, Австралия.

«Вместо одного большого квантового компьютера с множеством кубитов можно подумать о маленьких, но многих квантовых компьютерах, которые могут иметь меньше кубитов, чем большой квантовый мэйнфрейм, но все же могут обеспечить квантовое преимущество для некоторых задач», - говорит Доэрти. Он добавляет, что программа Quantum Pioneer Supercomputing Center Pawsey занимается разработкой программного обеспечения для этих квантовых компьютеров.

Квантовые ускорители Quantum Brilliance первого поколения содержат всего 5 кубитов. Однако «через пять лет он будет размером с видеокарту с более чем 50 кубитами», - говорит Доэрти.

Компания Google заявила, что с 53 кубитами она достигла квантового преимущества перед классическими компьютерами: квантовый компьютер Sycamore выполняет вычисления всего за 200 секунд, что, по оценкам компании, займет у суперкомпьютера Summit 10 000 лет. «Мы прогнозируем, что с 14 кубитами мы сможем превзойти современный процессор ЦП в настольном компьютере при выполнении той же задачи», - говорит Доэрти.

Один набор приложений, которые Quantum Brilliance представляет для своих устройств, включает в себя то, что она называет массово-параллельными квантовыми вычислениями, когда множество квантовых ускорителей работают вместе над проблемой.

Например, с помощью моделирования молекулярной динамики, часто используемого для открытия новых лекарств , «квантовый компьютер с относительно небольшим количеством кубитов может превзойти отдельный сервер в стойке суперкомпьютера - это резкое ускорение», - говорит Доэрти. «Сложив вместе многие из этих квантовых компьютеров, вы затем сможете моделировать сложную химическую систему, при этом каждый квантовый компьютер моделирует одну молекулу в сложной химической системе, содержащей множество молекул».

Другой набор приложений для технологии Quantum Brilliance включает мобильные квантовые ускорители, которые компания называет крайними квантовыми вычислениями.

«Представим, что у вас есть спутник, с помощью которого вы хотите выполнять обработку изображения или сигнала», - говорит Доэрти. «Спутники собирают огромное количество сигналов или изображений, и часто на борту недостаточно вычислительной мощности для предварительной фильтрации или обработки этих данных. Потоковая передача огромных объемов данных также является проблемой из-за ограниченных каналов связи. Итак, одна вещь, которую квантовые компьютеры делают хорошо, - это сортировка комбинаторных возможностей, что и делается при идентификации и отслеживании признаков при обработке изображений и сигналов. Квантовые вычисления могут фильтровать рабочий процесс на борту спутника или в других ограниченных средах, таких как автономные транспортные средства ».

Когда дело доходит до автономных транспортных средств и других автономных систем, квантовые ускорители «также могут поддерживать принятие решений», - говорит Доэрти. «Квантовые компьютеры очень хороши в исследовании возможных последовательностей событий и определении наиболее вероятных и наиболее опасных последовательностей событий. Так что, если у вас есть нейронная сеть или другой симулятор, который может анализировать текущую ситуацию и моделировать вероятные возможные варианты будущего, квантовый ускоритель может просмотреть это и выяснить наиболее вероятные и наиболее опасные варианты будущего ».

Другое приложение для граничных квантовых вычислений будет включать обработку естественного языка, «например, преобразование речи в текст», - говорит Доэрти. «В настоящее время граничные устройства, которые преобразуют речь в текст, имеют много ошибок, потому что микросхемы пропускают корреляции между двумя битами речи, двумя битами слова. Квантовый ускоритель может помочь уменьшить эти ошибки, поэтому в те же сроки вы можете получить скачкообразное изменение точности ».

«Еще одно передовое приложение - это медицинская визуализация, где есть ограничения, отличные от ограничений вычислительной мощности - например, существуют ограничения в отношении конфиденциальности, когда речь идет о передаче медицинской информации через облако», - говорит Доэрти. «Вы можете установить на месте квантовый компьютер для обработки изображений с помощью МРТ и КТ».

Квантовые мэйнфреймы могут превосходить квантовые ускорители, когда дело доходит до выполнения квантовых алгоритмов, предназначенных для работы только на квантовых компьютерах. Когда у вас есть много маленьких квантовых компьютеров, работающих над такими чистыми квантовыми алгоритмами, их вычислительная мощность линейно складывается, но когда у вас есть один большой квантовый компьютер с одинаковым количеством кубитов, связанных вместе, «вы видите экспоненциальный рост вычислительной мощности», - говорит Доэрти.

Однако многие приложения для квантовых вычислений фактически включают квантовые компьютеры, работающие вместе с классическими компьютерами по так называемым гибридным квантовым алгоритмам. В этих случаях тот факт, что квантовые ускорители Quantum Brilliance могут более глубоко интегрироваться с классическими компьютерами, может сократить общее количество времени, затрачиваемое на обмен информацией между двумя разными типами компьютеров, «чтобы превзойти один большой квантовый мэйнфрейм», - говорит Доэрти.