Почему квантовый компьютер невозможен
В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.
Читайте «Хайтек» в
Почему создание суперкомпьютеров может оказаться под угрозой?
Квантовый компьютер — чрезвычайно полезное изобретение при создании искусственного интеллекта будущего, новых методов криптографии и даже новых типов аккумуляторных батарей. Несмотря на всю универсальность своего применения, устройство может так никогда и не заработать в полную силу. К столь мало обнадеживающим выводам пришел французский исследователь Мишель Дьяконов, который на протяжении многих лет работал над реализацией квантовых вычислений. Ученый считает, что из-за неизбежности случайных ошибок в аппаратном обеспечении устройства, по-настоящему полезные квантовые компьютеры вряд ли когда-либо будут построены.
Кубиты обладают особыми свойствами: они могут существовать в суперпозиции, являясь одновременно и нулем, и единицей, при этом будучи запутанными между собой даже в том случае, если они находятся на значительном расстоянии друг от друга. Столь необычное поведение не связывается с миром классической физики, так как суперпозиция мгновенно исчезает тогда, когда экспериментатор взаимодействует с квантовым состоянием.
Благодаря суперпозиции, квантовый компьютер со 100 кубитами может одновременно представлять 2100 решений. Для некоторых задач этот экспоненциальный параллелизм может быть использован для создания огромного преимущества в скорости вычислений. Вместе с тем, существует и другой, более узкий подход к квантовым вычислениям, при котором кубиты используются для ускорения задач оптимизации. Так, компания D-Wave Systems, базирующаяся в Канаде, построила системы оптимизации, которые используют кубиты именно для этой цели, хотя некоторые критики утверждают, что полученные в результате системы работают не лучше классических компьютеров.
Квантовые компьютеры компании D-Wave Systems
Несмотря на это, компании и страны вкладывают огромные суммы денег в квантовые вычисления. Известно, что Китай построил новый центр квантовых исследований стоимостью 10 миллиардов долларов США, а Европейский Союз разработал генеральный план квантовых исследований на сумму 1 миллиард евро или 1,1 миллиарда долларов. Новый закон о национальной квантовой инициативе Соединенных Штатов предусматривает выделение 1,2 млрд. долларов США на развитие квантовой информатики в течение пятилетнего периода.
Возможность взлома алгоритмов шифрования является мощным мотивирующим фактором для многих стран мира. Так, знание систем шифрования противника могло бы дать огромное преимущество в разведке, одновременно с этим способствуя проведению новых фундаментальных исследований в области физики, так как современные экспериментальные системы имеют в своем распоряжении лишь менее 100 кубитов. Для достижения полезной вычислительной производительности суперкомпьютера нам, вероятно, понадобятся машины с сотнями тысяч кубитов. Для того, чтобы устройства функционировали правильно, они должны исправлять все мелкие случайные ошибки в программном обеспечении. В квантовом компьютере такие ошибки возникают из-за неидеальных элементов схемы и взаимодействия кубитов с окружающей их средой. По этим причинам кубиты могут потерять когерентность буквально за долю секунды, что может привести к ошибочным результатам работы компьютера.
Иными словами, хотя квантовые суперкомпьютеры и имеют право на существование, правильность их вычислений может попасть под большой вопрос. А как считаете вы, сможет ли человек однажды подчинить себе квантовые технологии? Поделитесь своим мнением с единомышленниками в нашем официальном Telegram-чате.
Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.
Что же такое квантовый компьютер?
Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.
— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.
Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.
— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.
Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.
Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.
Почему квантовые компьютеры еще не появились везде. Есть ли какие-то проблемы с ними?
Также квантовый компьютер — это дорого. Например, в Google не рассказывают, сколько компания потратила на разработку квантового компьютера, но на проект выделили «миллиарды долларов».
Кроме этого, квантовый компьютер требует, помимо квалифицированных кадров, особенно сложные условия для работы. Чтобы вычисления происходили корректно, система должна находиться в полной изоляции.
Зачем нам квантовые компьютеры, где их собираются использовать?
Одно из основных применений квантовых компьютеров — научные вычисления и эксперименты. В этом случае не всегда заранее известен объем данных, которые нужно обработать, поэтому квантовый компьютер отлично подходит для этой задачи. Например, он может воспроизводить то, как двигаются атомы и частицы, при этом моделирование проходит с такой же точностью, как и в Большом адронном коллайдере.
Кроме этого, квантовый компьютер может оперировать огромными массивами данных, в которых есть по несколько миллионов элементов. Поэтому устройство может легко с помощью сверхбыстрого перебора взломать любой пароль или шифр. С другой стороны, квантовый компьютер может также эффективно предотвращать работу мошенников.
Также такое устройство будет эффективно работать в комбинации с ИИ, так как алгоритму часто нужно обращаться к большому объему данных и выдавать нужное решение для дальнейшего анализа.
Квантовый компьютер будет полезен и для финансовой сферы, где нужно обрабатывать большое количество данных, прогнозировать движения рынка, сверять информацию и выдавать готовое решение.
Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?
Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.
В начале прошлого года D-Wave выпустила устройство с 2000 кубитов, которое работает при температуре −273 градуса по Цельсию
В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.
А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.
Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.
Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.
Почему квантовые компьютеры в будущем займутся всеми сложными вычислениями?
До тех пор, пока ученые не создали квантовый компьютер, все самые сложные вычисления делал суперкомпьютер. Это устройство, которое не похоже на обычный ПК, так как оно намного крупнее, а также имеет сотни тысяч ядер центрального процессора. Несмотря на это, суперкомпьютер может обработать не все массивы данных.
Суперкомпьютеры не идеальны, чтобы это понять, можно привести в пример простую задачу. Вы находитесь в ресторане, и к вам скоро придут гости, у каждого гостя есть свое пожелание, рядом с кем бы он хотел сидеть. При этом есть только один оптимальный план рассадки. Если речь идет о пяти людях, то может быть 120 комбинаций рассадки, а если 10, то будет больше 3 млн вариантов.
Если дать эту задачу суперкомпьютеру, то он начнет решать ее перебором, постепенно обрабатывая каждую комбинацию гостей. Из-за этого вычисление займет много времени и энергии. Если за эту же задачу возьмется квантовый компьютер, то он создаст многомерное пространство: в нем будут находится все варианты ответа, далее нужно только выбрать верный.
В итоге количество ядер оказывается не важно, так как методы вычисления изначально разные,и чем серьезнее задача, тем больше разница во времени, которое тратит на нее суперкомпьютер и квантовый компьютер. Если первый работает с информацией, записанной в битах или в двоичной системе, где информация записана с помощью последовательности «1» и «0», то второй — в кубитах, в этом случае одна единица информации может быть и «1», и «0», одновременно. В результате кубиты более универсальны, так как могут принимать разные значения.
Что означает формулировка «квантовое превосходство»?
Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.
В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.
Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.
Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.
Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.
В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.
Какие компании занимаются изучением и производством квантовых компьютеров?
Заниматься квантовыми вычислениями самая первая начала компания D-Wave, в 2020 году она предложила работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако.
Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.
В 2021 году IBM запустила первый Q System One в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.
Также квантовым компьютерами занимаются и в России: специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом.
Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.
Почему за квантовым компьютером будущее?
Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.
— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.
Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?
В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.
Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.
Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.
— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.
А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.
Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.
В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.
Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.
Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.
Что останавливает торжество квантовых компьютеров?
— Конечно, было бы здорово, если бы удалось сделать компактный и дешевый универсальный квантовый процессор, для всякой задачи работающий не хуже классического и пригодный для помещения в смартфон. Но, увы, пока технологические затруднения слишком велики. Квантовость хрупка. Окружающий мир постоянно толкает наше квантовое состояние, и оно размывается.
Представьте, что вы пытаетесь удержать неподвижным маленький шарик в широкой миске, в то время как вас и миску в ваших руках постоянно и быстро толкают в разные стороны. Шарик остается в миске, расстояние от него до ваших глаз более-менее постоянно, но его положение все время меняется, он дрожит и в ваших глазах превращается в расплывчатое пятно.
На научном языке это называется «декогеренцией». Для большого числа кубитов подобный фазовый шум — настоящее бедствие, способное быстро убить все то, что дает преимущество квантовому компьютеру. Он загоняет квантовое состояние в классическое, губит суперпозицию. Нужно изолироваться, не дать окружающему миру толкать наши кубиты. Один из выходов — попросту заморозить окружающее до суперкосмического холода, как в «Ди-вэйв». Оттого и трехметровые габариты, и высокая цена — хотя сам процессор величиной с ноготь.
Но сейчас интенсивно разрабатываются и другие платформы для квантового процессора, например дефекты в нанокристаллах алмаза, которые способны сохранять когерентность при комнатной температуре.
В последние годы в гонку ввязались мировые технологические гиганты, а потому можно ожидать, что в ближайшие десятилетия мы увидим полноценный квантовый компьютер. Если не на своем столе в гостиной, то в университетской лаборатории уж точно.
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!
Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by
Ученые из университета Дьюка решили основную проблему ошибок, которые появляются при работе квантового компьютера. Они разработали метод, который позволил отслеживать погрешности квантового компьютера на каждом этапе работы. «Хайтек» объясняет, зачем нам квантовый компьютер, который никогда не ошибается и почему его до сих пор не создали.
Читайте «Хайтек» в
Сначала был персональный компьютер, потом суперкомпьютер и после квантовый компьютер. Каждое вычислительное устройство занимается своими задачами и в разы сложнее своего предшественника. В этом и кроются главные проблемы квантового компьютера, которые ученые пытаются решить.
А что в России?
Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.
Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.
В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.
В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.
Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.
Профессор Университета Ульма Томмасо Каларко, крупный специалист по квантовым компьютерам, приезжал в середине марта с лекцией в МФТИ. Он рассказал студентам о перспективах развития квантовых технологий и возможном участии в этом России и, в частности, иннограда «Сколково».
Томмасо Каларко: «В теоретической физике есть известный факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то её, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад»
Квантовый компьютер принципиально отличается от привычных нам ПК. В его основе лежит использование квантовых битов – кубитов. Каждый кубит может, как и обычный бит, находиться в состояниях 0 и 1, но при этом ещё и в суперпозиции – наложении – этих состояний. Тогда он случайно принимает одно из значений. За счёт этого операции над группой кубитов затрагивают сразу все возможные состояния системы, обеспечивая хорошее распараллеливание вычислений.
В теории всё красиво, практика же пока подводит.
– Господин Сурков спросил меня утром: можем ли мы создать квантовый компьютер? – уточнил учёный в начале лекции.
Дело в том, что в МФТИ мистер Каларко приехал прямо из кабинета правительства, где проходило заседание по вопросу создания центра квантовых технологий в «Сколково».
– И мой ответ был таким: никто не знает, как сделать это. – Но почему мы не можем? – оживлённая речь профессора Каларко иногда ускорялась чуть ли не до световых скоростей. – Во-первых, мы не можем нормально транспортировать атомы. Во-вторых, мы не можем присвоить адрес в массиве конкретному кубиту для управления им. Ведь мы хотим, чтобы система подчинялась нам и только нам.
Здесь поможет теория оптимального управления. Суть её такова: предположим, надо перейти из одной точки гильбертова пространства (совокупности математических операций над квантовыми величинами) в другую. Можно идти как угодно, но теория говорит, что найдётся наилучший путь, – и помогает его найти.
Господин Каларко привёл пример с официантом: если тот ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. В квантовых масштабах это «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды.
– Такая «остывшая» система заказчику не подойдёт, и он попросит деньги назад, – пошутил учёный.
Если же идти слишком быстро, точность измерений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные же официанты ходят иначе: сначала они ускоряются, идут с некоторым наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере.
Каларко работает над переключателем квантовых регистров в оптической решётке, основанном на изменении расстояния между атомами. Его цель – максимально уменьшить ошибку измерений протекающих при этом процессов.
– В теоретической физике есть известный факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то её, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад, – в этот момент зал рассмеялся: несмотря на беглый английский лектора, шутку оценили многие. – И наш случай не исключение.
– Профессор Кротов предложил оптимизационный алгоритм. Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проектируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается.
После лекции студенты задавали итальянскому учёному вопросы. Правда, тех, что относились непосредственно к физике, описанной в докладе, было мало – трудный материал и на русском тяжело воспринимается. Физтехов больше интересовала цель приезда Каларко в Москву, темы его разговоров с чиновниками в Кремле.
– Я с радостью вам отвечу. После нескольких месяцев подготовки я был назначен кем-то вроде исполнительного директора нового центра квантовых технологий в «Сколково». Научные советники центра – известные учёные, в июле мы планируем провести большую конференцию и приступить к поиску исследователей, – объяснил учёный. – Сегодня мы обсуждали, что требуется, чтобы следующий этап по созданию центра был одобрен и инвесторами, и правительством. Мы готовы начать работу, как только российское правительство даст нам зелёный свет. И сразу же примемся за привлечение к работе центра ярких, талантливых студентов из МФТИ и других ведущих вузов. На базе «Сколково» будет проводиться обучение, также мы сможем предоставить программы по обмену студентами с ведущими мировыми научными центрами.
Помимо проектирования квантовых компьютеров, в центре господина Каларко будут идти работы по квантовому моделированию атомных процессов, разработке методов детектирования очень маленьких магнитных полей, что пригодится в медицинской томографии, приблизит создание сверхточных часов.
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.
Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.
В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.
Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.
Квантовый компьютер, который не ошибается, уже сделали или еще нет?
Сегодня полноценно работающего квантового компьютера, который не совершает ошибок, нет. Но мы уже достаточно близки к нему, благодаря ученым из Университета Дьюка в США. У них получилось сделать протокол, который позволил отслеживать ошибки квантового компьютера на каждом этапе вычислений. В результате схема работала на 99% корректно.
Исследователи смогли вернуть логический кубит в его начальное состояние и измерить его в 99,4% случаев. Они отмечают, что по отдельности блоки будут работать в 98,9% случаев. Это значит, что авторам удалось серьезно снизить вероятность квантовых ошибок.
Квантовые компьютеры — это будущее мощных вычислительных устройств — чем больше данных, тем сложнее будет устройство.
Изобретение квантового компьютера навсегда изменит наши отношения с информацией — мы будем получать готовые результаты огромных вычислений за несколько секунд, станем быстрее открывать новые свойства элементов, полностью изучим человеческий мозг и геном, а также сможем быстрее создавать лекарства от любых болезней.
Многим из вас известно, что осенью 2019 года компании Google и IBM начали вести между собой настоящее противостояние: когда представители Google заявили о своем “квантовом превосходстве” ввиду успешно завершенного квантового вычисления, компания IBM неожиданно подхватила эстафету, продемонстрировав способность их нового суперкомпьютера выполнять вычисления почти с той же скоростью и с гораздо большей точностью, чем квантовый компьютер Google. Это был не первый случай, когда кто-то усомнился в квантовых вычислениях. В прошлом году Мишель Дьяконов, физик-теоретик из Университета Монпелье во Франции, предложил множество теоретических причин, согласно которым удобные для практического использования квантовые суперкомпьютеры так никогда и не будут построены. Так как же понять, кто прав, а кто нет?
Возможно ли создание квантового компьютера в реальности?
Чем еще он может заниматься?
Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.
- Исследования в области искусственного интеллекта.
Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.
Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств
Читайте также: