Что такое квантовый компьютер и когда он будет изобретен
Компьютеры, которыми мы пользуемся сейчас, — транзисторные. Транзисторы позволяют управлять электрическим током, генерировать и направлять его внутри системы устройства. При этом вся работа компьютера и обработка информации работает в двоичной системе, то есть все данные шифруются в комбинации единиц и нулей и таким двоичным кодом можно записать хоть «я люблю тебя» (1000100111110000010000111011100010011101000011000110000111011100010011101
0000010001000010100001101011000011000110001001111), хоть письмо Онегина к Татьяне (приводить пример, пожалуй, не будем).
Двоичный код компьютер прогоняет через биты — это самая маленькая единица информации, дальше идут байты (8 бит) и так далее, но изначально все держится на битах, которые во время решения компьютером задач выдают 1 или 0, а по окончании действия вся информация обнуляется и компьютер приступает к новой задаче.
У квантового компьютера операционная система строится не на битах, а на кубитах — эта единица еще меньше бита, и кубиты одновременно находятся в значении 0, 1 и в промежуточных значениях. То есть им доступно гораздо больше переменных значений, которые в то же время одновременно активны и неактивны. Это как кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, только в этой ситуации у него еще могут быть котята, а могут и не быть, и все они также живы и мертвы одновременно.
Google и проект «Платан».
Источник: gdb.voanews.com
Проект «Sycamore» (Платан) открыт корпорацией Google около 15 лет назад. Как и некоторые другие крупные компании (Intel, IBM), Google , осознавая революционные характеристики квантового компьютера , в течение этого времени инвестировала в развитие собственного проекта сотни миллионов долларов. И, в отличие от других игроков, компания сосредоточила свои усилия на получение не экспериментальных машин для узкоспецифических вычислений, но на создании первого в мире универсального квантового компьютера , имеющего традиционную схему «hardware-software» и способную работать с различными алгоритмами вычислений.
Благодаря этому подходу, пусть и с небольшим опозданием от других, «Sycamore» продемонстрировал выдающиеся результаты: 53 кубита , 84 узловых ответвителей, частота работы системы от 5 до 7 гигагерц и 227 ЦАП на 1м чипе.
Процессор работоспособен при температуре от 0,02 Кельвина.
Возможности его поражают воображение — пространство вычислений ограничено числом 10 в 16й степени, скорость вычислений в контрольном алгоритме вычисления квантовых цепей превысила производительность суперкомпьютера Summit (IBM) В 3 000 000 РАЗ! (122,3 ПФлопс, работает в Ок-Риджской национальной лаборатории, США , самый мощный суперкомпьютер в мире по состоянию на 2019 год, цена 325 000 000 $).
Что в нем необычного?
Если отпустить маятник, он в какой-то момент истратит энергию и прекратит колебаться. А темпоральный кристалл в изолированной системе будет менять состояние вечно, его энергия неизменна. Заметим, что лазер не передает кристаллу энергию, это своего рода катализатор. Получается, темпоральный кристалл — это вечный двигатель? Не совсем.
«Хотя кристалл действительно демонстрирует «вечное движение», это движение не производит энергии», — объясняет инженер Google и ведущий автор работы Сяо Ми.
Первый в России прототип квантового компьютера заработал в НИТУ «МИСиС»
В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.
Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся в НИТУ «МИСиС» с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящих материалов.
Кубиты (квантовые биты) — действующая сила квантового компьютера, аналог «битов» у обычного ПК, только куда более совершенный. Если привычный нам компьютер «мыслит» и считает нулями и единицами, то есть каждый бит информации может быть закодирован либо как «0», либо как «1», то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояниях. Это открывает огромные перспективы, ведь при таких вычислительных ресурсах квантовый компьютер сможет обогнать самые мощные вычислительные устройства на целые порядки.
Квантовый компьютер на сверхпроводящих материалах — более совершенная система по сравнению с аналогами. Например, другими научными коллективами разрабатываются кубиты на отдельных атомах (которые могут «потеряться» из-за ничтожно малого размера) и на ионах (их можно выстраивать исключительно линейно, что физически неудобно). Созданные в НИТУ «МИСиС» кубиты сделаны из алюминия, имеют размер в 300 микрон, их нельзя «потерять», а еще можно выстраивать нелинейно.
В ходе эксперимента двухкубитный квантовый компьютер решал алгоритм Гровера — алгоритм перебора для функции. Квантовый компьютер, благодаря принципу суперпозиции, в идеальном случае может найти правильное значение x в решении этой задачи за одно обращение к функции f(x) с вероятностью 100%.
«Алгоритм Гровера на двух кубитах — это очень важный шаг на пути к созданию квантового компьютера. Мы не первые в мире, кто продемонстрировал его работу, но здесь идёт речь в первую очередь о технологическом достижении. Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причём с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», — рассказал один из участников проекта инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Илья Беседин.
Самая большая трудность на пути к созданию полезного квантового процессора — ошибки. В отличие от классческих компьютеров, которые могут работать годами и всегда выдавать воспроизводимые и предсказуемые результаты, квантовые компьютеры подвержены влиянию шума, который искажает результаты вычислений. Несмотря на то, что созданный в НИТУ «МИСиС» процессор из двух кубитов слишком мал для решения прикладных задач, он успешно «перешагнул» порог 50%-ной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.
Весь алгоритм состоит из инициализации двух кубитов, четырёх однокубитных операций, двух двухкубитных операций и считывания двух кубитов; ошибки в любой из которых уменьшает вероятность правильного ответа в ответе.
Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ им. Баумана, а его проектированием и запуском устройства занимались уже в НИТУ «МИСиС», где в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» выстроен уникальный комплекс оборудования с криостатами, обеспечивающими работу при сверхнизких температурах до —273,14 градусов Цельсия, что близко к абсолютному нулю.
«Тем не менее, перед нами ещё большой путь, — добавляет Илья Беседин. — Совсем недавно в прессу попали ещё не опубликованная официально статья компании Google, которым удалось реализовать на 53-кубитном сверхпроводниковом квантовом процессоре алгоритм „квантового превосходства“. Задача „квантового превосходства“ — это наиболее благоприятная именно для квантового компьютера задача, которую при этом очень сложно выполнить на классическом компьютере. И если у нас преодоление „классического“ предела — это всё-таки фундаментальный результат, то результат Google — это уже ближе в практическую сторону: они смогли сформулировать и решить задачу, которую их процессор может выполнить за минуты, а мощный суперкомпьютер проверял неделями».
И даже при этом Google ещё не удалось приблизиться к тому, чтобы квантовый компьютер решал какую-либо практически полезную задачу эффективнее, чем классический. Однако пока теоритические предсказания относительно вычислительного превосходства квантовых компьютеров экспериментами подтверждаются.
Следующие важные шаги на пути к созданию полезного квантового компьютера — это демонстрация уменьшенных до размеров нескольких десятков кубитов версии «полезных» квантовых алгоритмов (например, симулятор химической реакции или основного состояния молекулы) и демонстрация квантовой коррекции ошибок. Вот именно для коррекции ошибок, кстати, сверхпроводниковые кубиты подходят лучше всего: их можно организовать в двумерную решётку с локальными взаимодействиями и параллельными вентилями, которая необходима для «поверхностного кода» — самого простого с точки зрения требований и к точности операций.
«Мы тоже хотим двигаться в эту сторону, но с моей точки зрения в квантовых вычислениях важно не только „больше“, но и „лучше“: сверхпроводниковые кубиты, которые мы сейчас используем, получаются довольными дорогими и дают много ошибок. И перед тем, как делать сотни и тысячи кубитов, на мой взгляд, стоит ещё поработать над самой базовой единицей — кубитом», — подводит итог Илья Беседин.
Google и проект «Платан».
Проект «Sycamore» (Платан) открыт корпорацией Google около 15 лет назад. Как и некоторые другие крупные компании (Intel, IBM), Google, осознавая революционные характеристики квантового компьютера, в течение этого времени инвестировала в развитие собственного проекта сотни миллионов долларов. И, в отличие от других игроков, компания сосредоточила свои усилия на получение не экспериментальных машин для узкоспецифических вычислений, но на создании первого в мире универсального квантового компьютера, имеющего традиционную схему «hardware-software» и способную работать с различными алгоритмами вычислений.
Благодаря этому подходу, пусть и с небольшим опозданием от других, «Sycamore» продемонстрировал выдающиеся результаты: 53 кубита, 84 узловых ответвителей, частота работы системы от 5 до 7 гигагерц и 227 ЦАП на 1м чипе.
Процессор работоспособен при температуре от 0,02 Кельвина.
Возможности его поражают воображение — пространство вычислений ограничено числом 10 в 16й степени, скорость вычислений в контрольном алгоритме вычисления квантовых цепей превысила производительность суперкомпьютера Summit (IBM) В 3 000 000 РАЗ! (122,3 ПФлопс, работает в Ок-Риджской национальной лаборатории, США, самый мощный суперкомпьютер в мире по состоянию на 2019 год, цена 325 000 000 $).
Что известно?
Исследователи построили 66-кубитный квантовый компьютер. Используя две различные технологические парадигмы, фотонную и сверхпроводящую, они смогли запустить определенные алгоритмы в масштабе, который, предположительно, был бы слишком сложным для классического компьютера.
Для сравнения, система Sycamore от Google — это 53-кубитная система, и, по словам китайской исследовательской группы, она может использовать только сверхпроводящую парадигму.
Что такое квантовое преимущество?
Квантовые компьютеры в будущем действительно могут заменить собой обычные, но на данный момент они далеки от совершенства. Однако, даже имея при себе всего лишь несколько кубитов, некоторые задачи они решают в тысячи раз быстрее даже самых мощных компьютеров. Такие достижения называются квантовым преимуществом и в 2019 году таким успехом поделилась компания Google. Разработанный ею квантовый компьютер Sycamore решила одну сложную задачу за 3 минуты. А для суперкомпьютера Summit для этого потребовалось бы более 10 000 лет. Но скептики отметили, что при правильной настройке компьютер Summit справился с задачей за несколько дней. Так что факт достижения квантового превосходства компанией Google до сих пор подвергается сомнению.
Квантовый компьютер Sycamore
Интересный факт: изначально упомянутый выше термин звучал как «квантовое превосходство». Но потом это словосочетание сочли неполиткорректным и заменили на «квантовое преимущество».
Глава шестая
Заключение
Краткосрочные последствия квантовых компьютеров иногда преувеличиваются. Существующие квантовые компьютеры необходимо будет увеличить в 1 миллион раз, прежде чем они станут актуальными для криптографии. Краткосрочные квантовые компьютеры пока не имеют гарантированных приложений, но моделирование для научных исследований выглядит многообещающим и может иметь серьезные экономические последствия. Квантовые датчики гораздо ближе к коммерческому развертыванию и могут обеспечить значительные улучшения в получении изображений на большом расстоянии, синхронизации и обнаружении электрических, магнитных и гравитационных полей как в коммерческих, так и в военных целях. QKD, в принципе, может улучшить защиту коммуникаций от подслушивания, но многие эксперты из США и Великобритании скептически относятся к тому, что это окажется полезным на практике. В дальнейшем более сложные формы технологии квантовой связи могут быть использованы для объединения в сеть квантовых компьютеров и датчиков, но эти сети все еще находятся на очень ранней стадии развития.
Соединенные Штаты, за которыми следуют Канада, Великобритания и ЕС, являются мировыми лидерами в области квантового зондирования и вычислений. Китай решил сосредоточить свои исследовательские усилия на квантовой связи и считается мировым лидером в этой области, потому что это единственная страна, которая запустила спутник QKD и проложила крупнейшую в мире сеть волоконно-оптических кабелей для QKD. Однако ни Соединенные Штаты, ни Китай не имеют явного лидерства в квантовых технологиях в целом. Комиссия США и Китая по обзору экономики и безопасности охарактеризовал квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между двумя странами.
