Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры
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
Все решения уже известны
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию
Кто придумал квантовый компьютер?
11 мая 1918 года, 90 лет назад, в Нью-Йорке родился Ричард Филипс Фейнман (Richard Phillips Feynman) — американский физик-теоретик, внёсший существенный вклад в создание современной квантовой электродинамики. В 1939 году окончил Массачусетский технологический институт, степень же доктора философии получил в 1942 году в Принстонском университете, там же работал, в 1943−45 годах участвовал в американском атомном проекте в Лос-Аламосской лаборатории, в 1945−50 годах работал в Корнеллском университете. С 1950 года — профессор Калифорнийского технологического института.
Работы Фейнмана посвящены квантовой теории поля, квантовой электродинамике, физике элементарных частиц, статистической физике, сверхпроводимости, теории гравитации. В 1948 году независимо от Ю. Швингера и С. Томонаги построил современную квантовую электродинамику (Нобелевская премия по физике в 1965 году). В 1949 году разработал способ объяснения возможных превращений частиц — так называемые диаграммы Фейнмана. Вместе с Гелл-Манном (независимо от Р. Маршака и Э. Сударшана) создал в 1958 году количественную теорию слабых взаимодействий.
Независимо от Л. Онсагера развил в 1955 году теорию квантованных вихрей в сверхтекучем гелии, показав, что при достаточно больших скоростях жидкий гелий должен быть пронизан квантованными вихрями. Одним из первых в 1963 году предложил применять методы теории возмущений квантовой теории поля к проблеме квантования гравитации.
В 1969 году предложил модель нуклона, в которой точечные составные части протона и нейтрона, на которых происходит неупругое рассеяние электронов высоких энергий, назвал партонами (партонная модель нуклона). Для квантовой механики разработал метод интегрирования по траекториям.
В 1972 году развил полуфеноменологическую картину генерации новых частиц в процессе столкновений (масштабная инвариантность или скейлинг). Предсказал, что если энергетический спектр генерируемых частиц строить в определённом масштабе, то при высоких энергиях он должен достигать универсальной предельной формы — формы плато, слабо (логарифмически) расширяющегося по мере дальнейшего роста энергии.
В начале 80-х годов Фейнман предложил логичную идею — точное моделирование явлений квантовой физики должно происходить и на соответствующем компьютере принципиально нового типа — квантовом. И спустя 25 лет после пионерской публикации Ричарда Фейнмана квантовые вычисления и квантовая теория информации — это уже не область смелых теоретических прорывов в будущее, а широкомасштабная кропотливая работа по поиску наиболее эффективных практических реализаций квантовых компьютеров.
Повезло поколениям студентов-физиков, которые слушали его лекции. На них оказали влияние оригинальность мышления и артистизм Фейнмана как лектора. Например, он придумал метод интуитивного угадывания формулы и последующего доказательства ее правильности. Духом автора проникнут известный курс «Фейнмановские лекции по физике». Эти тома 40 лет стоят у меня на полке, и я и сейчас иногда в них заглядываю.
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».
Прогноз развития квантовых компьютеров
Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems. Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко.
Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости.
Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров? На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений. Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем.
Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм. Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий! Так почему бы и квантовому компьютеру не обернуться в ближайшие десятилетия приятной повседневностью, открывающей перед нами новые захватывающие горизонты?
