Новости

Алексей Федоров «Winter is coming: эра квантового превосходства»

16 декабря 2019 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: МИСиС, рождественские лекции, квантовые технологии, образование

12 декабря в рамках новогоднего цикла «Рождественские лекции» в НИТУ «МИСиС» руководитель научной группы Центра НТИ по квантовым коммуникациям и победитель первого рейтинга Forbes Russia в рейтинге «30 до 30» в номинации «Наука» Алексей Федоров рассказал о разработках в области квантовых технологий.

Казалось бы, тема квантового превосходства в мировом научном сообществе сейчас входит в ТОП-10 по степени актуальности и важности. В течение уходящего года споры исследователей и изобретателей крутились вокруг единственного вопроса — ждет ли нас эра квантового превосходства, и достигли ли физики из Google квантового превосходства?

А, может, и не достигли!? Является ли это превосходство окончанием эпохи классических вычислений? На все эти вопрос попытался ответить победитель первого рейтинга Forbes Russia в рейтинге «30 до 30» в номинации «Наука» Алексей Федоров. Послушать размышления молодого ученого и задать ему вопросы пришли студенты московских вузов, гости НИТУ «МИСиС» и просто заинтересованные слушатели.

Отметим, что атмосфера располагала к спокойной и плодотворной дискуссии — слушателей угощали пуншем, мандаринами и печеньем. В общем, праздничная обстановка уже царит в вузе, в котором одна из удивительных традиций — проводить цикл «Рождественские лекции», на которых ученые с мировым именем увлекательно и доступно рассказывают аудитории о последних тенденциях и достижениях современной науки.

Индустрия 4.0 — что такое четвертая технологическая революция?

«Прежде всего, я хочу сказать, что НИТУ «МИСиС« — один из полков индустриального и технологического развития у нас в стране, — подчеркивает Федоров. — Находясь здесь, можно понять, что существует некоторая цикличность, ведь появление новых технологий стимулирует экономический рост, поэтому появление и развитие новых технологических решений — очень важно. Хочу отметить один факт — за последние 200 лет эффективность труда была увеличена в 30 раз, и понятно, что это связано не столько с продуктивностью человека, сколько с появлением новых орудий, облегчающих многие процессы. Ученые выделяют несколько стадий технологических революций — первая, вторая, третья, а сейчас мы находимся на пороге 4-ой технологической революции. Говорят, что один из ее основных драйверов — искусственный интеллект. Моя цель — показать, что квантовые технологии настолько фундаментальные и нужны искусственному интеллекту для того, чтобы помочь войти нам в новую «эру 4-ой технологической революции».

Четвертая технологическая революция — это индустрия данных, в которой максимальное количество процессов связано с получением данных из внешнего мира, их передачей, эффективной обработкой, анализом и использованием при принятии каких-то решений. Речь идет частично о получении информации о характере погоды или московских пробках на дорогах, дальше же нужны «умные» операционные решения, принятые на основе анализа этих данных.

Однако все упирается в то, насколько разработчики смогут создать эффективные базовые технологии для получения, обработки и передачи информации, которые смогут надежно хранить получить данные — это и есть конечная цель индустрии 4.0.

«Посмотрев отчет одной консалтинговой компании, меня поразило то, что только 2% данных используется для принятия решений, то есть остальные 98% — в лучшем случае, просто хранятся, а иногда и не особо собираются, — отмечает лектор. — Тогда возникает вопрос — зачем нам такое количество данных, если мы не умеем их тщательно обрабатывать и не принимаем на их основе решения. Здесь уже встает вопрос о необходимости создания новой машины для вычислений».

Каждый современный человек застал колоссальный прогресс, с которым столкнулась вычислительная техника за последнее время. Еще 15–20 лет назад компьютеры были некоторой роскошью, при этом работали они медленнее, чем наши нынешние смартфоны.

Преодолеть закон Мура

Вспомним, как развивалась микроэлектроника и с какими ограничениями она сегодня сталкивается. Согласно закону Мура, количество транзисторов в процессоре удваивается каждые полтора-два года. Работа и вычисления в классических процессорах сегодня построены на основе носителей зарядов — электронов. Они имеют ограниченную подвижность, минимальные размеры транзисторов лимитированы, а принципы их работы приближаются к своим физическим пределам, что накладывает ограничения на скорость вычислений. Количество транзисторов в современном процессоре размером один квадратный сантиметр сегодня уже превышает 1 миллиард.

«Мы должны сейчас понять, как преодолеть закон Мура, — говорит Алексей Федоров. — Winter Is coming — зима для технологий, которые существуют на данный момент, приближается».

Первая и вторая квантовые революции

Все достижения квантовых технологий принято разделять на два класса — 1-ую и 2-ую квантовую революцию. Термин введен относительно недавно для того, чтобы разделить два характерных цикла технологического развития. Когда говорят о лазере и транзисторе — речь идет о 1-ой квантовой революции — мы не может представить без них современную жизнь, ведь они лежат в основе компьютеров, которые мы используем. Эра 2-ой революции квантовой механики описала микроскопический мир атомов, электронов или частиц света, фотонов. Она основана на таких особенностях энергии, как способность быть одновременно в 2 состояниях, мгновенное взаимодействие на расстоянии, неразрешимая и невидимая связь. Результат — более надежные и быстрые средства связи, высокоточная томография. В «новой эре» происходит переход от квантовой механики к квантовой информации.

«Наша цель — разобраться, что эти квантовые технологии могут нам дать в будущем? В квантовом мире существует понятие «квантовой суперпозиции« — способность находится в квантовой системе одновременно в нескольких состояниях, — отмечает молодой ученый. — Это связано с линейностью квантовой механики. Буквально, для квантовой системы не существует понятие только орла или решки — система может находиться в обоих состояниях. Обнаружить это помогли очень тщательные эксперименты, которые проводились с середины 70-х годов и длятся до сих пор».

Есть еще один интересный феномен квантовых систем — теорема о запрете клонирования. Суть в том, что, если разработчик обнаруживает неизвестное квантовое состояние, то он не сможет сформировать процесс, который будет копировальной машиной.

Таким образом, становится понятно, что мир квантовых вычислений разительно отличается от мира классических вычислений, с которыми мы сейчас имеем дело.

«Квантовое вдохновение»

Когда ученые говорят о квантовых технологиях, чаще всего, они ассоциируют это с квантовыми компьютерами. Но, чтобы эффективно работать с квантовыми системами, их необходимо надежно защищать от внешнего воздействия, в силу их чувствительности.

Создание квантовых сенсоров с рекордной чувствительностью к разным биологическим маркерам и модельным молекулам обеспечит прорыв в медицине, химии и других научных областях.

Все это — направление движения к новой элементной базе. Это попытка соединить процессоры между собой на скоростях, которые существенно превышают текущие мировые достижения, или сделать новый квантовый вычислитель, работающий при комнатной температуре. Это и ключевые элементы для квантовых коммуникаций и биологической сенсорики. И здесь цель ученых — создать приборы, которые позволят запускать эти процессы.

Несмотря на активные обсуждения в СМИ, дискуссии ученых, у общественности возникает своевременный вопрос — создан ли квантовый компьютер, и почему процесс его создания идет так медленно?

«Здесь я хочу сказать, что существует колоссальная сложность при построении большого квантового компьютера, — комментирует Федоров. — Надо четко понимать, что сейчас такого вычислителя нет, и до создания универсального квантового компьютера ученым предстоит пройти еще некоторый путь».

Пока ученые трудятся над созданием квантового компьютера, они одновременно ищут ему применение.

Главным остается тот факт, что такой компьютер сможет моментально совершать вычисления и работать с большим объемом данных. Кроме того, с помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины до машиностроения. Также существует теория о том, что квантовый компьютер будет справляться с задачами, которые обычный решить не в состоянии или потратит на это тысячи лет вычислений. В любом случае, все ученые сходятся во мнении — создание такого компьютера будет настоящим прорывом, возможно, главным в истории человечества.

Зарегистрироваться на «Рождественские лекции» в НИТУ «МИСиС», которые продлятся до конца декабря, можно на сайте проекта.

Добавить комментарий

  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5