Привет! Это снова я, но уже не про архитектуры — вернее не про классические архитектуры.

Для начала пара слов благодарности: предыдущая статья про RISC-V получила отличный отклик: 56 тысяч просмотров, 66 голосов и холивар на 200+ комментариев — читал с интересом. Спасибо! В этой статье вам тоже будет о чём похоливарить :)

Тут вот какое дело: на Хабре много написано про квантовые технологии и вычисления. 

Но мне есть что сказать; и хочется верить, я могу сделать это интересно — зайду чуть с другой стороны.

Итак, пресловутый закон Мура (по сути эмпирический вывод, основанный на небольших данных) уже не работает, а фундаментальные физические ограничения наблюдаемой Вселенной приведут к тому, что при размерах транзистора менее 1 нанометра он будет сопоставим с атомными размерами. А уже на 5 нанометрах появляется туннелирование электронов (квантовый эффект, которого по классической физике не должно быть вовсе, из-за него электрон пробивает энергетический барьер) и как следствие утечка тока (электроны проникают через изолятор, что приводит к потере энергии). Работа настолько маленьких транзисторов становится нестабильной.

Расклад у человечества следующий — в будущем, на текущем векторе микроэлектроники, расти получится только через горизонтальное и вертикальное масштабирование: 3D-транзисторы и 3D-чипы (FinFET и GAAFET уже есть), чиплеты и модульность (тоже есть). Да, есть ещё перспективные нанолисты, углеродные нанотрубки, графен и прочий молибден дисульфид, но всё это в ту же копилку — с физическими пределами.

Мы выбрали тупиковую ветвь и буквально упрёмся в подвесной потолок — можно будет чуть прогнуть его, но выше уже стена из железобетона, которую с технологиями нашего времени не преодолеть.

Предположим, что лет так через 50 или 100 (и это с запасом, на мой взгляд) создадут самый мощный вычислительный блок из возможных в пересчёте на занимаемое физическое пространство. Допустим, это будет RISC-V или Arm; инженеры сделают чиплет из 10 чипов и 3D-печать со всех сторон; программисты максимально оптимизируют ПО.

Что будет дальше?

• История квантовых вычислений: от эскиза к прототипу

• Его величество — квантовый компьютер

• Квантовые вычисления: кубиты, кудиты и прочие каджиты

• Архитектура квантовых компьютеров: всё вокруг хочет их убить

  • Квантовый процессор (QPU) — не совсем процессор

  • Охлаждение, оптические и лазерные системы: защита от декогеренции

  • Кабели и микроволновые линии в квантовых компьютерах

  • Питание квантовых компьютеров

  • Квантовой памяти нет, но есть кое‑что лучше — рисунок памяти

  • Квантовая сеть и квантовая телепортация

• Наше будущее — это...

История квантовых вычислений: от эскиза к прототипу

Хотелось мне начать с рок-н-ролла, показать квантовые процессоры, рассказать, что они спасут нас от тупика, приведут к сингулярности и всё такое.

Но, во-первых, это не точно, а, во-вторых, большинство не знает, что такое эти ваши квантовые компьютеры (давайте договоримся на аббревиатуру КК?).

С обычными компьютерами и процессорами все более-менее знакомы, но КК даже на Хабре не стали попсой. Вроде сабж у всех на слуху, новости мелькают, есть и статьи с глубоким техническим погружением, но с широким внедрением в нашу жизнь у квантовых технологий как-то не задалось. 

Так что давайте сначала расставим все точки над K̇. 

Что есть квант:

«Квант (от лат. quantum — “сколько”) — неделимая часть какой-либо величины в физике; общее название определённых порций энергии (квант энергии), момента количества движения (углового момента), его проекции и других величин, которыми характеризуют физические свойства микро- (квантовых) систем.»

Первым краткую идею квантовых вычислений высказал советский математик Юрий Манин (1980 год) в книге «Вычислимое и невычислимое».

Примерно в то же время американский физик Пол Бениофф описал первую квантово-механическую модель компьютера в своей статье «Компьютер как физическая система: микроскопическая квантово-механическая гамильтонова модель компьютеров, представленная машинами Тьюринга».

Годом позже лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман, считавший, что эффективно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере невозможно, в лекции «Там внизу достаточно места» озвучил идею квантового компьютера.

Затем, в период с 1980 по 1998 год, была эпоха теоретических основ и первых экспериментов в области квантовых вычислений. За 18 лет был заложен прочный фундамент: появились первые концепции, модели квантовых компьютеров, квантовые алгоритмы и подходы к исправлению ошибок. Например, в 1985 году Дэвид Дойч разработал первую теоретическую модель универсального квантового компьютера, а в 1994 году Питер Шор предложил квантовый алгоритм факторизации чисел, что стало мощным катализатором интереса к квантовым вычислениям.

Первый КК создали только в 1998 году, в этом проекте участвовали Айзек Чуанг из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Нил Гершенфельд из Массачусетского технологического института (MIT) и Марк Кубинек из Калифорнийского университета в Беркли; этот компьютер использовал ядерный магнитный резонанс (ЯМР) для обработки квантовых состояний и имел 2 кубита. На нём провели первую экспериментальную демонстрацию работы квантового алгоритма.

К кубитам, кудитам и прочим каджитам мы ещё вернёмся — ещё успеем загрузить голову.

В 2000 году IBM и Стэнфорд расширили эту идею и разработали 7-кубитный квантовый компьютер, также основанный на ЯМР. 

С 2019 года на рынке появилось ещё больше компаний и государственных программ для развития квантовых технологий. Сегодня бигтех, вроде IBM, Google, Microsoft и D-Wave, активно развивают технологию квантовых вычислений, конкурируя с национальными исследовательскими лабораториями и университетами по всему миру.

Пора посмотреть на их разработки поближе.

Его величество — квантовый компьютер

Когда слышишь «квантовый компьютер», представляешь вундервафлю размером с холодильник. 

Но на деле пока нет унифицированных форм-факторов, нет двухрамных серверных стоек или шкафов на 42U под КК — исследователи в лабораториях создают всё, что душе угодно экспериментируют.

Хотя есть и настольные системы от китайской компании SpinQ Technology, которые не отличить от ПК и принтеров в бухгалтерии. Разве что чуть больше по размеру. Даже цветастые есть и с квантовой подсветкой (китайский же) — для хорошего настроения :)

А вот так выглядит 20-кубитный КК на ионах и ионная ловушка в нём от наших ребят из ФИАН.

Американская компания IQM составила дорожную карту — вроде как хотят достигнуть 1 миллиона кубитов к 2033+ году. Пожелаем им удачи :)

Пришло время обсудить концепцию кубитов, кутритов и кудитов, иначе дальше будет тяжко. Придётся погрузиться в технические дебри: часть хабровчан будет в восторге, часть заскучает. Чтобы вы не уснули от сложной технической информации, я чуть разбавлю тему древними свитками. Если вы погружены в тему квантовых вычислений, то можно сразу к следующему пункту переходить, ну либо память освежить — всегда полезно :)

Квантовые вычисления: кубиты, кудиты и прочие каджиты

Одно из ключевых отличий квантовых компьютеров от классических — кубиты вместо битов (и вместо транзисторов в микропроцессорах).

Например, x86-процессоры работают с информацией в виде битов (0 или 1), каждый бит — это наименьшая единица информации в двоичной системе, биты объединяют в более крупные структуры — байты (8 бит), слова и двойные слова (что-то вроде контейнеров информации) для представления более сложных данных и инструкций.

Кубиты (quantum bit, qubit, qbit) — это буквально квантовые биты, основа квантовых вычислений. В отличие от классических битов, они могут находиться в суперпозиции двух состояний — |0⟩ и |1⟩, то есть быть одновременно и 0, и 1 с определёнными вероятностями. Именно это свойство открывает сумасшедшие возможности для параллельных вычислений.

Achievement unlocked! Вы только что узнали, что такое квантовая суперпозиция — главный фундамент квантовых вычислений — и как квантовые системы могут выйти за рамки обычных двоичных вычислений.

Аналогия для любителей TES. Итак, представьте себе каджита, мастера скрытности и торговли, который одновременно может находиться на рынке Рифтен и у доков Солитьюда, занимаясь своими делами в обоих городах. Пока его никто не видит, он как бы существует сразу в двух местах — это и есть его квантовая суперпозиция. Но как только вы решаете проследить за ним и точно узнать (сам факт наблюдения/измерения), где он, — его состояние «коллапсирует», и вы видите каджита, например, только на рынке Рифтен.

Бывают ещё и обобщения кубитов, в которых вместо двух возможных |0⟩ и |1⟩ есть больше состояний. 

Кутриты (qutrits) и кудиты (qudits) — у кутрита есть три состояния: |0⟩, |1⟩, и |2⟩. Кудит же может находиться в N (целое число больше двух) различных состояний. Например, в системе с четырёхуровневым кудитом (aka кукварт) каждый кудит может находиться в четырёх состояниях: |0⟩, |1⟩, |2⟩ или |3⟩.

Если у КК несколько кубитов, то происходит следующее: представьте, что у вас есть 5 каджитов, каждый из которых может находиться в разных локациях: Вайтране, Рифтене, Виндхельме или Солитьюде. До тех пор, пока никто за ними не наблюдает, каждый каджит одновременно присутствует во всех этих местах сразу — как кубиты в состоянии суперпозиции. Это означает, что вся система из 5 каджитов охватывает не одну конкретную расстановку мест, а совокупность всех возможных комбинаций их положений, представляя собой суперпозицию огромного количества состояний.

Когда вы решаете «взглянуть» на каджитов — то есть, измеряете систему, — каждый каджит фиксируется в одном конкретном месте, и вся система коллапсирует к одной из возможных расстановок. Например, вы можете обнаружить, что один каджит в Вайтране, два в Рифтене, один в Виндхельме и ещё один в Солитьюде. Именно это и происходит в КК с кубитами: при измерении многообразие возможных состояний сводится к одному, которое и будет итогом вычисления.

Число состояний кубитов: в системе из N кубитов может быть 2^N различных базисных состояний (таких как 00, 01, 10, 11 для двух кубитов), которые могут образовывать суперпозицию. Это означает, что N кубитов могут хранить суперпозицию всех 2^N состояний одновременно. Однако при измерении кубиты коллапсируют в одно из этих состояний, и мы получаем только N бит информации.

Помимо суперпозиции есть ещё одно крутое свойство — квантовая запутанность.

Представьте себе двух каджитов, связанных заклинанием запутанности. Один обитает в скалистых доках Солитьюда, а другой — на шумном рынке Рифтена, где кипит городская жизнь. Эти два каджита живут в разных городах, но они настолько «запутаны» заклинанием, что все их действия мгновенно связаны друг с другом. Например, если один каджит сядет торговать, второй сделает то же самое. С кем бы из них вы ни взаимодействовали, вы мгновенно узнаёте о состоянии второго.

Эти запутанные каджиты чувствуют действия друг друга мгновенно, независимо от расстояния (в теории это будет работать и разных концах галактики). 

Или ещё пример без магии и заклинаний: каджиты, как известно, обувь носят редко (в Морровинд вообще не носили), а уж носки — и того реже. Но допустим, что два каджита всё-таки решили взять себе по одному носку из пары и разъехались: один — в Рифтен, другой — в Солитьюд. Носки — самые обычные, без всякой магии. Когда каджит в Рифтене надевает свой носок на левую лапу, второй каджит тут же понимает, что его носок стал правым.

Оставим за кадром вопрос, как именно каджиты носят носки, но зато получим хороший пример квантовой запутанности: состояния двух объектов (или носков) остаются связанными, независимо от расстояния между ними.

Для игры с магией звучит нормально, но с точки зрения классической физики это парадоксально. Однако в квантовом мире эту концепцию используют для сложных вычислительных процессов, где информация передаётся в виде связей и зависимостей между запутанными кубитами. Эта связь позволяет кубитам работать вместе и обмениваться состояниями на любых расстояниях, что делает запутанность основой для многих квантовых алгоритмов и даже квантовой телепортации (о ней ещё поговорим, это не про перемещение человека на Марс).

Квантовая суперпозиция и запутанность касаются не просто пространственных положений, а скорее возможных состояний системы с вероятностной интерференцией этих состояний.

Почти все частицы во Вселенной изначально связаны квантовой запутанностью, но она разрушается при первом же наблюдении/измерении/взаимодействии с окружающей средой. Поэтому стабильная запутанность бывает только в изолированных системах, вроде квантовых компьютеров.

Итак, по базовой теории пробежались: кубиты вместо битов, суперпозиция, запутанность и коллапс при наблюдении. Выдохнули и идём дальше.

Архитектура квантовых компьютеров: всё вокруг хочет их убить

Я вкратце пройдусь по архитектуре квантовых компьютеров. И да, я рассматриваю квантовый компьютер как своего рода архитектуру, но фундаментально отличающуюся от традиционной микроэлектроники.

Сразу отвечу на вопрос, а почему вообще квантовый процессор или КК быстрее обычного? Они используют особенности квантовой механики, которые и делают их производительными: суперпозиция, запутанность и интерференция (усиление нужных решений и подавление неправильных). КК потенциально быстрее только в определённых задачах (далее частные случаи): поиск в неструктурированных базах данных, моделирование молекулярных взаимодействий, оптимизация логистических задач или факторизация чисел для криптографии.

Все технологии ниже — это прототипы. Суть квантовых процессоров — выполнять сложнейшие расчёты, в которых классическая микроэлектроника даже в мощнейших дата-центрах не справляется (или делает это очень долго) — так называемое квантовое превосходство или квантовое преимущество. Есть первые спорные попытки доказать, что квантовое превосходство достигнуто. Вот попытка от Google на сверхпроводящем КК, а вот заверения IBM, что никакое это не превосходство. Наши китайские братья чуть позже Гугла тоже заявили, что достигли превосходства на фотонном КК Jiuzhang (название в честь древнего китайского математического текста). И вроде как за 200 секунд они провели вычисления, на которые у самого быстрого неквантового компьютера ушло бы более 1 500 000 000 лет.

Но нужно держать в голове, что это будут узкоспециализированные задачи с такими же алгоритмами — КК быстрее будет только в них. Для запуска Telegram или веб-сервера КК не подойдёт.

Квантовый процессор (QPU) — не совсем процессор

Есть несколько подходов в создании квантовых систем и процессоров: этакий эквивалент архитектурам CISC, RISC и VLIW в микроэлектронике, но различий намного больше. И да, современный КК (и процессор) не может сам по себе. Его подключают к классическому серверу и другой электронике для обработки результатов квантовых вычислений и управления вспомогательными системами.

В мире микроэлектроники элементарный процессор можно собрать всего из 2 транзисторов. Эти два транзистора могут вместе выполнять базовую логическую операцию, например, команду (aka логический гейт) NOT, которая инвертирует вход — если на вход подать 1, то на выходе будет 0, и наоборот. Или комбинированный логический гейт NAND, который возвращает 0, только если оба входа равны 1. В остальных случаях на выходе будет 1.

Элементарный квантовый процессор начинается с 2 кубитов — это минимум для выполнения квантовых алгоритмов, вроде алгоритма Шора или Гровера. Кубиты взаимодействуют через квантовые гейты.

Квантовые гейты — это как кнопки или операции, которые меняют состояние кубитов в КК. Если в обычных компьютерах логические гейты, вроде NOT или NAND, манипулируют битами (0 или 1), то квантовые гейты работают с кубитами, которые из-за суперпозиции могут быть и 0, и 1 с определённой вероятностью.

Поэтому простейшим квантовым процессором можно назвать нечто, работающее с двумя кубитами.

Если кратко, то есть 3 современных подхода к созданию квантовых систем (и процессоров в них): 

• Сверхпроводящие системы: кубиты — это микросхемы на специальных подложках, которым нужен криостат (о нём чуть дальше) для поддержания экстремально низких температур. К каждой микросхеме подключена управляющая электроника, которая контролирует состояние кубитов, создаёт суперпозиции и запутанности. Как правило, для каждого кубита требуется отдельный контроллер.

Конструкция сверхпроводящего квантового процессора напоминает нечто среднее между традиционным микросхемным процессором и научным оборудованием для исследований в экстремальных условиях.

• Ионные системы: кубиты — это ионы, которые захватываются в пространстве с помощью электромагнитных полей (ловушек). Для этих систем нужны лазеры или микроволны, которые будут манипулировать состояниями ионов для вычислений. Микроволновые сигналы не так точны, как лазер, но они тратят меньше энергии и, зачастую, стабильнее. Микроволновый подход встречается в системах, где сверхточность не так важна, или где пытаются снизить сложность. Классическая электроника контролирует положение ионов и помогает стабилизировать их с помощью сложной системы охлаждения, которая минимизирует нежелательные движения ионов.

Конструкция такого квантового процессора похожа на миниатюрный прибор для удержания частиц, обрамлённый сложными электронными системами.

• Фотонные системы: кубиты — это фотоны, которые передают информацию через оптические волноводы (прозрачные структуры, пропускающие свет с минимальными потерями). Им не нужно экстремальное охлаждение — комнатная температура подходит. Управляющая электроника создаёт запутанные состояния и управляет взаимодействиями между фотонами в специальных оптических цепях и волноводах, используя зеркала, призмы и другие элементы для манипуляции светом. Для работы с фотонами требуется оборудование, которое фиксирует и обрабатывает световые сигналы с высокой точностью.

Конструкция фотонного квантового компьютера похожа на оптическую лабораторию, но сам процессор компактный.

Каждый подход — это архитектурно-инженерные решения, комплексы, если угодно, которые используют разные способы достижения стабильности и эффективности вычислений. Конечно, есть и другие направления: квантовые системы на основе атомов щелочных металлов и спиновых кубитов. Но встречаются они редко.

И да, надо упомянуть старый добрый ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) — это один из первых методов квантовых вычислений, который ныне отходит на второй план из-за ограничений в масштабировании. Кубиты в ЯМР-системах — это пузики спины атомных ядер (в молекулах) в сильном магнитном поле. Ядерные спины могут сохранять квантовые состояния благодаря своим магнитным моментам. Для управления состояниями кубитов используют радиочастотные (РЧ) импульсы — они инициируют переходы между уровнями энергии спинов.

Почему технология была хороша на первых этапах и до сих пор хороша в настольных системах, вроде SpinQ (2 кубита)? Не нужно экстремальное охлаждение или вакуум: молекулы находятся в жидкой среде или твёрдотельных кристаллах при комнатной температуре. Управляющая электроника задаёт РЧ-импульсы, синхронизирует их воздействие на кубиты и фиксирует их отклик.

Такие дела. Идём дальше.

Охлаждение, оптические и лазерные системы: защита от декогеренции

В классическом ПК перегрев приведёт к троттлингу (сброс частоты); троттлить может не только CPU, но и память, SSD, GPU и т.д. Как правило это снижает на время производительность (или чип просто упирается в температурный потолок), а при критическом перегреве система автоматически отключится, чтобы не повредить компоненты (или чтобы не полыхнуло у админа). Решается это относительно просто — система охлаждения с улучшенными показателями теплоотвода (TDP), мониторинг нагрузки и т.д.

Ещё есть проблемы с вибрациями, сильными шумами (те же вибрации), механическим ударам (экстремальные вибрации, ударные волны) и т.п. Но это нужно постараться, хотя HDD, вентиляторы, различные сокеты, интерфейсы и некоторые датчики относительно чувствительны к такому воздействию. Даже защищенные серверы есть, резиновые прокладки, амортизационные крепления и подставки, специальные серверные стойки и шкафы, герметичные корпуса (IP-корпуса, как у вашего смартфона с влагозащитой).

Но вот для квантовых компьютеров всё чуть сложнее. Даже не так — там всё чертовски сложно. Офисные условия не подходят (если это не замкнутая система в офисе). Любое внешнее воздействие разрушает квантовые состояния кубитов (явление декогеренции), а это ошибки в вычислениях. Поэтому КК требуют строжайшего контроля условий работы.

Для охлаждения КК со сверхпроводящими кубитами создают криогенные системы и криостаты: огромные многоуровневые холодильники (так что шутка про размеры КК с холодильник — вообще не шутка). И -24°C из морозилки для нашей задачи не подойдут, всё же не пельмешки надо хранить. Криостат охлаждает кубиты до экстремально низких температур, порядка -270°C, что близко к абсолютному нулю (-273.15°C), но никогда не равно ему. Это позволяет использовать сверхпроводящие свойства материалов: электроны могут двигаться почти без потерь энергии (минимум теплового шума и электромагнитных помех), стабильный ток и т.д. Именно криостат и занимает большую часть размеров КК (в сверхпроводящих системах), кушает много энергии, требует дорогого и квалифицированного обслуживания. 

Для ионных КК используют сложное доплеровское охлаждение: лазерным излучением определённой частоты замедляют ионы почти до абсолютного нуля, уменьшая их вибрации. Плюс нужен глубокий вакуум, чтобы ионы и внешние атомы почти не взаимодействовали. Лазеры и оптика тоже лучше работают в вакууме. Это помогает контролировать квантовые состояния с высокой точностью, снижает вероятность декогеренции и повышает стабильность вычислений.

Фотонные кубиты отлично себя чувствуют при комнатной температуре, но на них влияют вибрации, пыль, перепады температуры и освещённость. А для генерации и детектирования одиночных фотонов нужно сложное оборудование: лазерные установки, оптические резонаторы, специальные волоконные и зеркальные системы.

Кабели и микроволновые линии в квантовых компьютерах

Куда же без кабель-менеджмента — квантовому компьютеру тоже нужны кабели. 

В сверхпроводящих системах используют микроволны для переключения состояний кубитов и выполнения логических операций, им нужны специальные микроволновые линии (те, что соединяют контроллеры с кубитами). Кабели на практике — коаксиальные линии (специализированные провода, внутри стержень из проводника/сверхпроводника, например цельное или многожильное серебро, окружённое слоем изоляции, экраном и внешней оболочкой), минимизирующие потери сигнала при передаче.

В ионных КК другие типы кабелей, так как кубиты в этих системах — ионы, которые удерживаются и управляются с помощью электромагнитных полей и лазеров, а не сверхпроводящих микросхем. Так что там используют наши родимые оптоволоконные кабели и электродные провода (серебро или медь) для электромагнитных ловушек. В ионных ловушках также могут использовать сложную структуру из проводов и электродов — например, изолированные токопроводящие шины и пластины, которые в сочетании с вакуумной средой удерживают ионы в стабильном состоянии.

Фотонные кубиты управляются светом. А потому в таких системах используют оптические волноводы и оптоволоконные кабели для передачи и управления фотонными сигналами. Сигналы передают с помощью света в видимом или инфракрасном диапазоне.

Питание квантовых компьютеров

Здесь всё чуть более прозаично: модули высокоточного постоянного тока, преобразователи напряжения, фильтры для подавления электромагнитных помех, а также системы резервного питания. Блоки питания в КК максимально стабильны по напряжению, мощности и частотам. Всё, разумеется, проектируется с избыточностью — отказ одного элемента не приведёт к отказу всей системы.

Энергопотребление КК в основном идёт на поддержание среды: охлаждение, лазеры и вспомогательные устройства. А квантовые операции сами по себе не столь затратны — в классической микроэлектронике наоборот.

Квантовой памяти нет, но есть кое-что лучше — рисунок памяти

Долговременная квантовая память — это прототип на сегодня. Разработок много: раз, два, три. И ещё сотни ссылок можно оставить. Но это всё частные случаи, часть из них использует редкоземельные элементы (иттрий или тербий), часть использует центры окраски «кремний‑вакансия» (Si-V, silicon-vacancy center) в алмазах.

Основные проблемы — это долговечность квантовой памяти (до декогеренции) и низкий коэффициент извлечения информации. Несколько микросекунд или, предположим, секунд, не самый впечатляющий показатель.

Но работа идёт, а устойчивые узлы квантовой памяти расширят функционал КК и откроют нам мир квантовой телепортации. В том числе в глубокий космос.

Квантовая сеть и квантовая телепортация

Квантовый интернет не аналог и не замена обычному — в обозримом будущем точно. Это скорее его дополнение, расширение, этакое DLC на стероидах. Квантовая сеть может связать квантовые процессоры, устройства и сенсоры для квантово-защищённой связи, сверхточно синхронизировать космические корабли, спутники, телескопы и атомные часы, нивелируя релятивистские эффекты вызванные гравитацией и движением. Точность навигации GPS и ГЛОНАСС в теории сможет достигнуть нескольких сантиметров (сейчас это несколько метров).

И вот здесь мы возвращаемся к телепортации, квантовой естественно. Квантовая телепортация не переносит физический объект, но передаёт квантовое состояние между двумя запутанными частицами. Вы уже, наверное, представили, как информация мгновенно передаётся из-за квантовой запутанности: наземная станция Роскосмоса общается с космонавтом Юрой где-нибудь возле Юпитера без задержек. Но так не бывает, не в нашей Вселенной. К великому сожалению, нужен классический канал связи, а это наша любимая скорость света.

Вот как это будет выглядеть на самом деле: наземная станция хочет передать квантовое состояние частицы ? космонавту Юре. Она проводит измерение своей частицы ? и запутанной частицы, что разрушает исходное состояние частицы ?, но создаёт корреляции, что и нужно для передачи состояния. Результаты измерения (два бита информации) станция отправляет Юре через обычный канал связи (радиосигнал). Юра минут так через 50 их получает и использует для преобразования своей запутанной частицы в состояние (например, спин, поляризацию) исходной частицы ?. Подобные квантовые измерения дадут сверхточность — при классических методах она просто невозможна. Может пригодиться в навигации в космосе; в исследованиях общей теории относительности (земные данные будут эталоном времени и энергии, а Юра под гравитацией Юпитера проводит измерения).

Это свойство можно использовать и для квантовой криптографии — перехват классического сигнала возможен, но взломать его не получится без доступа к запутанной частице.

Наше будущее — это потолок классической микроэлектроники и другие технологии

Забудем на секунду про сценарии парадокса Ферми, вроде тепловой смерти планеты, ядерной зимы, восстания ИИ и прочих весёлых закатов человечества. Рассмотрим оптимистичный сценарий.

Как бы мы не старались, законы физики не обойти. Конечный идеальный чип — это не гипотеза, а неизбежное будущее. И не скажу, что это плохо. Дата-центры, огромные вычислительные кластеры и беспроводные сети для передачи результатов вычислений пользователям — вот как будут выглядеть бытовые технологии, когда мы достигнем предела. Для любых повседневных дел этих мощностей будет достаточно: работа, игры, умный дом, создание контента.

Локальные вычисления будут не нужны повсеместно, так как ограничены идеальным чипом и его минимальным размером. В смартфон будет умещаться N этих идеальных чипов, в ПК чуть больше (если они ещё будут) — логика аналогична той, что сейчас у Apple с их M2, M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra или более новыми сериями. Для каких-то специфических задач, вроде дайвинга в пещерах, автономные устройства все равно будут создавать, но в повседневной жизни у нас будет сетевое устройство ввода-вывода (дисплей в любом его проявлении, хоть линза с проекцией сразу на сетчатку) и какое-то взаимодействие с ним (жесты, сенсорный слой и т.п.), а все сложные вычисления будут в дата-центре. 

Если пользователю нужна какая-то вычислительная мощность, он её арендует и использует для своих задач. Задержки у будущих 6G, 7G и других сетей будут минимальны — незаметны для обычных пользователей.

Это моё предположение, но возможно, что идеального чипа будет достаточно для любых задач обычного пользователя, а его производство станет крайне дешевым, а значит он будет везде — в носимой электронике и не только.

Что касается квантовых компьютеров.

Абсолютного квантового превосходства не предвидится. КК — не замена суперкомпьютерам и кластерам, а потенциальная альтернатива для вычислений. Например, квантово-химическая симуляция молекулярных структур, биоинформатика, прогнозирование сложных климатических изменений планетарного масштаба, построение глобальных логистических систем или квантовая криптография с высочайшей степенью защиты.

КК можно интегрировать в уже существующую инфраструктуру ЦОДов и облачных технологий. Пользователю не нужно знать, получил он итог вычислений с КК или с классического сервера — для него всё будет работать быстро, точно и безотказно. Привычные нам интерфейсы и устройства ввода-вывода продолжат развиваться параллельно квантовым вычислениям, хоть и когда-то упрутся в потолок.

Вот, что будет дальше, как мне кажется. А какие мысли у вас на этот счёт?

P.S. Есть мнения, что квантовые компьютеры — это тоже тупик, и надо бы строить биокомпьютеры или процессоры с троичной логикой, вроде советской ЭВМ Сетунь, помноженной на вечность.