Квантовые вычисления для оборонной промышленности

Научные организации разных стран работают над созданием т.н. квантовых компьютеров. Устройства особой архитектуры должны показывать повышенную производительность и упрощать решение ряда задач. Вполне естественно, что подобными технологиями уже заинтересовались военные и оборонная промышленность.

Процесс внедрения

Первыми на рынке появились квантовые компьютеры канадской компании D-Wave Systems. С 2007 г. она представила целый ряд процессоров на разном количестве кубитов с разными возможностями. При этом речь идет не о полноценной универсальной вычислительной машине, а о специализированной системе для решения конкретных задач. Впрочем, и в этом случае было показано превосходство над системами «классической» архитектуры.

В 2011 г. представили компьютер D-Wave One на основе 128 кубитов, способный выполнять только дискретную оптимизацию. Вскоре появился контракт стоимостью более 10 млн долл. с компанией Lockheed Martin на поставку одной машины и последующее ее обслуживание. В своих сообщениях организация-заказчик указывала, что компьютер будет использоваться для решения самых сложных задач и проблем в сфере программного обеспечения.

В 2013 г. «Локхид-Мартин» заказала более новый компьютер D-Wave Two с процессором на 512 кубитах. Следующий компьютер типа Two продали группе организаций во главе с NASA для реализации совместного проекта. Третий контракт с Lockheed Martin был подписан в 2015 г. и предусматривал поставку изделия D-Wave 2X, имеющего 1152 кубита. Другими его заказчиками стали NASA и Лос-Аламосская национальная лаборатория. В начале 2017 г. стартовали продажи компьютера D-Wave 2000Q (2048 кубитов) – им вновь заинтересовались в NASA и смежных организациях. В этом году на рынок выходит система Advantage (5640 кубитов).

В июне стало известно, что центр квантовых вычислений USC-Lockheed Martin на базе технической школы USC Viterbi в ближайшем будущем получит компьютер Advantage. Ожидается, что получение более мощной машины расширит возможности центра по проведению исследований и созданию практически применимых систем. Кроме того, новый компьютер включат в состав квантового облачного комплекса Leap.

Несмотря на критику и ограниченные возможности, квантовые вычислители от D-Wave Systems стали предметом нескольких контрактов и уже почти 10 лет используются в различных организациях. Основным заказчиком такой техники стала компания Lockheed Martin – одна из крупнейших организаций оборонной промышленности, работающая во всех основных сферах. Также подобной техникой заинтересовались научные и исследовательские организации, в т.ч. занятые в прикладной сфере.

Будущее от DARPA

В марте этого года свой проект квантового компьютера запустило агентство DARPA. В рамках программы ONISQ (Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum) планируется проработать общие вопросы создания новых вычислительных машин, а затем создать готовые образцы. К работам привлечено семь «команд», в которых участвуют научные и проектные организации.

Первый этап ONISQ продлится полтора года, в его рамках требуется разработать технику и алгоритмы для решения задач комбинаторной оптимизации. Затем начнется второй этап, целью которого станет совершенствование созданных изделий и программ. Результаты программы могут найти применение как в военной, так и в гражданской сфере.

В DARPA учитывают, что создание универсального квантового компьютера является крайне сложной задачей, и потому пока ставят более скромные цели. В частности, допускается создание симуляторов квантовой системы на основе «обычного» компьютера или разработка гибридной архитектуры с ограниченным числом кубитов.

Российская перспектива

В других странах, в т.ч. в России, освоение квантовых вычислений пока отстает. Имеются и используются симуляторы и прототипы с малым количеством кубитов, но до коммерческих продаж и массового внедрения еще далеко. Впрочем, принимаются необходимые меры, и желаемые результаты появятся в ближайшем будущем.

Так, в 2018 г. российский Фонд перспективных исследований запустил проект «Оптические системы квантовых вычислений». В рамках этой работы в 2018-2021 гг. планировалось создать демонстраторы компьютеров с 50 кубитами на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем. Головным исполнителем проекта назначен МГУ, также к работам привлекается ряд других организаций.

Работы еще не завершены, но уже имеются планы по внедрению новых технологий. Квантовые вычисления являются одним из перспективных направлений в рамках госпрограммы «Цифровая экономика». Принципиально новые компьютеры с повышенной производительностью смогут найти применение в разных областях промышленности и экономики. В дальнейшем предлагается создать средства квантового шифрования с повышенной устойчивостью.

Текущий проект представляет интерес для различных государственных и коммерческих организаций. Так, в получении квантовых компьютеров заинтересована госкорпорация «Росатом» и некоторые крупные государственные и коммерческие организации. Обсуждается возможность их внедрения в оборонной промышленности – но конкретные предприятия пока не назывались. По всей видимости, такие вопросы будут решаться в будущем, после появления готовых прототипов.

Прикладные задачи

Главное преимущество квантовых компьютеров перед традиционными системами состоит в повышенном быстродействии. Благодаря этому квантовая машина может использоваться для более быстрого проведения расчетов или для выполнения специфических работ, в которых нецелесообразно применение других средств.

Компания Lockheed Martin уже несколько лет занимается темой квантовых вычислений. Подробные сведения о ходе таких работ, их реальных задачах и достигнутых успехах не разглашаются. В то же время, опубликованы общие данные о целях и перспективах направления, что позволяет делать различные выводы.

На официальных ресурсах компании упоминается использование компьютеров от D-Wave Systems в качестве средства проверки программного обеспечения. При написании ПО возможны те или иные ошибки, поиск и исправление которых отнимают массу времени и ресурсов разработчика. Быстродействующий квантовый компьютер может провести тестирование программы в минимальное время и выявить все имеющиеся проблемы. В ряде случаев квантовые вычисления способны справиться с задачами, которые практически неразрешимы для систем с другими архитектурами.

Проверка кода может использоваться в разных сферах. В качестве примера приводится разработка ПО для авиационной техники. Квантовый компьютер ускорит процесс тестирования и усовершенствования программ, и на испытания выйдет готовый и безопасный самолет. Быстродействующие компьютеры пригодны и для расчетов в космической отрасли. В течение нескольких миллисекунд D-Wave Two способен рассчитать множество траекторий корабля и выбрать оптимальную.

Вопросы быстродействия

Компания Lockheed Martin располагает только квантовыми системами с ограниченными возможностями – компьютеры от D-Wave решают только узкий круг задач. В перспективе ожидается появление универсальных систем с широкими областями применения, и это позволит более полно использовать возможное быстродействие.

Быстрая обработка крупных массивов данных или выполнение сложных расчетов необходимы в разных областях оборонной промышленности. Внедрение квантовых компьютеров упростит разработку программного обеспечения, ускорит проектирование различных конструкций, а также позволит сократить необходимое число натурных испытаний. Высокая производительность может быть полезна при создании систем с искусственным интеллектом разного назначения – это направление тоже интересует военных и оборонные предприятия.

В целом квантовые вычисления, а также универсальные или специализированные компьютеры представляют большой интерес и могут найти применение в разных областях. Внедрение таких систем ожидаемо началось с оборонной сферы и, вероятнее всего, именно она будет лидером в освоении более новых технологий и образцов. Ожидается, что принципиально новые средства вычисления серьезно повлияют на промышленность и армию, но как быстро появятся такие результаты и к каким изменениям приведут, пока не ясно.

Автор: Рябов Кирилл

Использованы фотографии: D-Wave Systems / dwavesys.com

На фото:

1. Квантовый процессор Rainier для компьютера D-Wave One

2. Компьютер D-Wave 2000Q

3-4. Квантовые процессоры

https://topwar.ru/armament/vpk/