Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность . Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Ключевые Игроки:
QuTech, Intel, Microsoft, Google, IBM.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров . По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
История создания квантового компьютера
У истоков самой идеи квантового программирования стоит человек, известный каждому, кто хоть немного интересуется физикой. Знаменитый американский ученый и популяризатор науки Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике, предположил возможность существования квантового компьютера еще в 1981 году. Произошло это на совместной конференции, которую организовали корпорация IBM и MIT (Массачусетский технологический институт). В то время никто еще не задумывался всерьез о реализации этой идеи на практике. Даже в теории она казалась весьма непростой. Квантовая механика, в отличие от классической, которую все мы изучали в школе, описывает явления не на уровне тел, а на уровне атомов, электронов, фотонов и прочих элементарных частиц. И квантовые эффекты, которые предполагалось использовать, создавая первый квантовый компьютер, проявляются в микроскопических масштабах.
Переместиться на микроуровень в поисках новых возможностей ученых заставили физические основы, на которых базируется традиционная вычислительная техника. Схема ее работы основана на транзисторах, в каждом современном компьютере их миллионы или даже миллиарды. Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель. Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером (и наоборот). По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники.
Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре. Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. Третьего не дано. Единица хранения информации для квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит. Это квантовый объект — вещь, которую гораздо проще описать, чем представить.
Как делают кубиты и в чём сложность
Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.
Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.
Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.
С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
Последние новости о квантовом компьютере России мощностью 51 кубит
Вот новости этого лета. Наши дядечки (честь им и хвала!) разработали самый мощный в мире (!) квантовый (!) компьютер 51 кубит(!)т. Самое интересное то, что до этого Google анонсировало свой компьютер на 49 кубит. И по их оценкам они должны были его закончить через месяц или около того. А наши решили показать уже готовый, свой квантовый процессор на 51 кубит.. Браво! Вот какая идет гонка. Нам хотя бы не отставать. Потому что ожидается большой прорыв в науке, когда эти системы заработают. Вот фото человека, который представлял нашу разработку на «квантовом» международном форуме.
Фамилия этого ученого — Михаил Лукин. Сегодня его имя в центре внимания. Невозможно создать такой проект в одиночку, мы это понимаем. Он и его команда создали на сегодня самый мощный в мире(!) квантовый компьютер или процессор. Вот что говорят по этому поводу компетентные лица:
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Да, все это очень интересно. Если вспомнить аналогии, когда изобрели транзистор, никто не мог знать, что на этой технологии через 70 лет будут работать компьютеры. В одном только современном процессоре количество их достигает 700 миллионов..Первый компьютер весил много тонн и занимал большие площади. Но персональные компьютеры все равно появились — много позже…
Я думаю, что пока нам в ближайшее время не стоит ждать появления в наших магазинах устройств такого класса. Многие их ждут. Особенно добытчики криптовалют много спорят по этому поводу. С надеждой взирают на него ученые, и с пристальным вниманием — военные. Потенциал этой разработки как мы понимаем, до конца не ясен.
Ясно только, что когда это все заработает, оно потащит вперед за собой всю наукоемкую промышленность.Постепенно появятся новые технологии, новые отрасли, новый софт.. Время покажет.
Только бы не подвел человеков свой собственный квантовый компьютер, данный нам при рождении — это наша голова. Так что, пока не спешите выкидывать на помойку свои гаджеты. Они долго Вам еще послужат. Пишите, если статья была интересной. Заходите чаще. До свидания!
Со скоростью света
Квантовые вычисления на фотонах на данный момент находятся дальше всего от практического применения по сравнению с конкурирующими платформами. Если на холодных атомах, ионах и сверхпроводниках созданы уже десятки кубитов, то с фотонами дело обстоит несколько по‑иному. «Тем не менее платформа невероятно привлекательна, — утверждает старший научный сотрудник группы «Квантовая оптика» Александр Уланов. — По двум причинам. Во‑первых, фотон — идеальный переносчик информации в квантовом мире, так как практически не взаимодействует с окружающей средой. Во‑вторых, он перемещается со скоростью света. Это гигантское преимущество для квантовых коммуникаций».
Уникальность фотонов еще в том, что они допускают кодирование информации двумя способами — дискретным, при помощи поляризации, и непрерывным, поэтому российская дорожная карта подразумевает как развитие дискретных вычислений, так и непрерывные симуляции на фотонах.
Но есть и проблемы, связанные с этой технологией. Они частично объясняют ее отставание от других платформ. Первая — фотонами сложно управлять. Однокубитные операции делать довольно легко, а вот двухкубитные — сложнее, по словам Александра. Так устроена природа: одну частицу можно изолировать и делать с ней очень точные манипуляции. Если частиц две, то их нужно не просто изолировать, но и заставить взаимодействовать, обмениваться квантовой информацией. Еще одна проблема — квантовая память для света. Если у нас есть какое-то квантовое состояние фотона, то сохранить его, а потом извлечь с большой эффективностью и точностью — очень сложная задача, и практически она еще не решена.
Если математическая модель, которая используется для вычислений с помощью сверхпроводников, ионов и атомов, понятна, то у фотонов гораздо большее многообразие способов квантовых вычислений. Этот потенциал приковывает к ним большой интерес. Фотоны — подарок природы. На это направление возлагаются большие надежды, поскольку школа, которая стоит за фундаментальной оптикой, в России достаточно сильная. «В эту гонку можно смело вклиниться, — считает Александр Уланов. — Здесь наше отставание от мировых лабораторий не является катастрофическим. Все проходится за разумные сроки при выполнении условий, одно из которых — наличие собственного производства фотонных интегральных схем».
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.
Последствия для человечества
Значит ли это, что в скором времени мы сможем получать товары и продукты прямо на дому, из квантовых принтеров? Значит ли это, что открывается возможность создания органических и неорганических предметов «из ничего»? Значит ли это, что появится возможность перемещать живые существа — в том числе человека — мгновенно в пространстве? Во времени?
После вчерашнего неожиданного прорыва, который, по всей вероятности, ускорит создание квантовых сетей, над этими вопросами уже невозможно не задумываться. Квантовая сеть, объединившая возможности нескольких квантовых устройств, даже в нынешнем ограниченном состоянии меняет правила игры в технологии, производстве и коммуникации.
Чем отличается работа квантового компьютера от обычного
Работа квантового компьютера от обычного отличается в разы большей скоростью обработки данных. Понять это проще на простом примере. Допустим, нам нужно рассадить 3 человека за 2 столика в ресторане. Вариантов решения этой задачи всего 8 (2³). Эту задачу любой суперкомпьютер решит мгновенно.
Но, если задачу усложнить и предложить машине рассадить 100 человек в два банкетных зала, то вариантов ее решения становится огромное множество. Эта цифра будет выглядеть, как 2 в сотой степени. Это число, состоящее из 30 символов. Самому мощному суперкомпьютеру на обработку всех этих вариантов понадобится приблизительно 4,6х10³⁵ лет. Это неимоверно много. По сути, срок решения задачи сводится к бесконечности.
Получается, что задача вроде бы простая, рассадить 100 человек в два зала. Но вариантов ее решения существует такое множество, что решить ее с помощью привычных устройств невозможно. Квантовый супермощный компьютер способен решить эту задачу за секунды. В этом и есть его основное отличие от обычного.
Суть квантового компьютера конечно же состоит не в том, чтобы подобрать наиболее совместимую компанию для вечеринки. Задачи, которые ставятся перед этим устройством гораздо сложнее.
Выводы
Квантовые компьютеры — это будущее компьютерных технологий. Но с новыми технологиями возникают новые проблемы, и такие вещи, как декогеренция, являются основной проблемой при разработке подобных устройств.
Исследователи добились большого прогресса в создании алгоритмов, которые будут использовать квантовые компьютеры, но сами устройства все еще нуждаются в гораздо большем объеме работ.
Квантовые компьютеры когда-нибудь смогут полностью раскрыть свой потенциал. Университеты и предприятия, работающие над ними, сталкиваются с нехваткой квалифицированных исследователей в этой области и отсутствием поставщиков некоторых ключевых компонентов. Но если эти новые вычислительные машины оправдают ожидания разработчиков, они могут трансформировать целые отрасли и стимулировать появление глобальных инноваций.
