Уже сегодня мы можем предположить как будет развиваться технология квантовых вычислений, ведь мы знаем, что произошло в классической IT-индустрии. Выстраивая параллели между классическим и квантовым, мы имеем некоторую дорожную карту развития квантовых компьютеров. Одна из важных остановок на этой карте — это использовании технологии параллельных вычислений.
Известно, что на заре эры классических вычислений системы состояли всего из одного процессора. Чтобы добиться более высокой производительности, инженеры нашли способы увеличить скорость компьютеров за счет использования более быстрых физических систем (транзисторов). Но в какой-то момент рынок продолжал требовать все больше производительности, а мощность одного процессора дальше расти не могла. Тогда разработчики обратились к мультипроцессорной технологии, чтобы обеспечить более высокий уровень вычислительных возможностей.
Но, как и везде, существовали и существуют определённые трудности. Чтобы воспользоваться преимуществами новой параллельной архитектуры, было необходимо переписать программное обеспечение. Программисты больше не могли решать проблему линейными методами — нужно было найти способы распараллеливания своих алгоритмов без возникновения конфликтов доступа к данным; а это совсем непростая задача. Работа над новыми мультипроцессорными алгоритмами ведётся и по сей день, тем не менее, всегда есть лимит производительности, так как наращивать её становится всё труднее при добавлении новых процессоров. Однако, использование многопроцессорной архитектуры становилось все более распространенным. Сегодня существует множество центров обработки данных с тысячами параллельно работающих процессоров, которые, например, отвечают на поисковой запрос в интернете.
Есть вероятность, что квантовые компьютеры пойдут по аналогичному, многопроцессорному, пути. Создание квантовой машины имеет не только множество физических и инженерных проблем, но и проблемы проектирования схем. Поскольку количество кубитов на квантовым процессоре увеличивается, количество линий для управления также должно увеличиваться, что может, например, создавать дополнительные температурные проблемы. Другая проблема — это сохранение высокого качества управления кубитами на большом мультикубитном процессоре: когда кубитов много появляются становится тяжело калибровать каждый элемент из-за помех, вызванных другими кубитами. Для решения этих проблем люди полагают, что квантовые компьютеры обратятся к параллельным вычислениям. Мы уже писали, что такое эра NISQ (эра «шумных» малокубитных квантовых компьютеров, которые мы имеем сегодня), а вот термин NISQ-MultiProcessing (NISQ-MP) описывает эру мультипроцессорных "шумных" малокубитных квантовых компьютеров.
Конечно, для создания таких систем, нужно проделать еще много работы. Чтобы сделать NISQ-MP эффективным, соседние квантовые процессоры должны будут общаться через запутанные кубиты (про запутанность мы писали здесь). В этот момент начинает играть роль технология, давно разрабатываемая для квантового интернета: связь между процессорами с помощью фотонов, частиц света. Интересно, что даже имея сверхпроводящий процессор, теоретически возможно преобразовать сверхпроводящий кубита в кубит на основе фотонов.
Конечно, мы можем перенять многие решения из области классических параллельных вычислений и реализовать их в NISQ-MP, но вместе с решениями мы переносим и нерешенные в классике проблемы. Поэтому для того, чтобы квантовые вычисления развивались, мы ждем от классических вычислений постоянного прогресса.
В прекрасном будущем можно представить себе квантовые вычислительные центры, которые могут содержать десятки или даже сотни, тысячи машин, связанных вместе локальным квантовым интернетом. Создать глобальный интернет на данный момент инженерно трудно: потери оптоволоконного очень большие, и поэтому требуются квантовые ретрансляторы. Но для параллельных вычислений это и не нужно: локальная связь может стать ключевым ингредиентом для того чтобы сделать NISQ-MP реальностью — следующий шаг эволюции квантовых вычислений.