Три новых правила игры
Квантовая механика — это такой же набор законов природы только для мира очень маленьких частиц — электронов, протонов, фотонов, альтронов. хотя нет, это из Мстителей.
Короче, всех тех штук, из которых мы все состоим.
В начале прошлого века мы внезапно обнаружили, что между ними происходит полная дичь, необъяснимая имевшимися у нас законами физики. Мы нафигачили загадок и парадоксов, о которых все обожают спорить.
Но мы здесь сегодня не для этого.
Пока газеты тешили публику кликбейтными парадоксами, ученые за сотню лет изобрели себе набор законов, которые позволили все эти непотребства вполне логично считать на уровне простых вероятностей.
К сожалению, эти два мира так пока и не дружат, потому как всё это правильно объяснять простым людям никто не придумал. Каждый изобретает свой подход как ввести человека в новые правила игрового мира и выдержать тонкий баланс между «ученые засмеют» и «читатели ничего не поймут».
Здесь все либо впадают в упрощения с котами, которые «как будто одновременно и там и сям», либо в научную заумь с матрицами прямо на лицо.
Сегодня я попробую свой путь, которым я объясняю это своим интересующимся друзьям. ? Как обычно, ничего «моего» во всём этом нет — это лишь компиляция того, как умные люди объясняли тему мне самому. Но я же не могу вот взять и признаться в этом на публике!
Итак, заходя в новый мир, нам надо принять ТРИ самых важных правила этой игры. Тогда остальное будет выводиться как бы автоматически.
Начнём с первого.
Что это за «квант»?
Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.
Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.
В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.
Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.
Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.
Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.
Квантовый мир во плоти
Бит — это основа всех вычислений. Элементарная частица информации — одна ячейка, хранящая 0 или 1, «да» или «нет». Тот же лайк — это изменение содержимого нескольких битов на удаленном сервере в какой-нибудь Исландии, который просчитывает алгоритм, также записанный в битах и запускаемый нажатием мышки.
Основа же квантовых вычислений — это кубит, то есть бит, который может одновременно находиться и в состоянии 0, и в состоянии 1 (квантовая суперпозиция). А если точнее, бит, который внешний наблюдатель может при измерении обнаружить в состоянии 0 с вероятностью, например, 30 %, а в состоянии 1 — с вероятностью 70 %; нечто вроде микроскопического кота Шредингера, про которого точно не знают, жив он или мертв, пока не откроют коробку.
Кубитами могут быть самые разные физические объекты микроскопических размеров (при более крупных масштабах действие квантовых законов перестает быть ощутимым, и сосуществовать между «да» и «нет», быть одновременно и белым и черным становится затруднительно). Те же самые электроны, уже производящие вычисления в наших неквантовых компьютерах и смартфонах, тоже можно сделать кубитами: вместо 0, скажем, будет вращение электрона по часовой стрелке вокруг собственной оси, а вместо 1 — против часовой (это, конечно, очень упрощенная иллюстрация, но сам принцип, надеемся, понятен).
Правда, у кубитов есть один минус. Практически любое воздействие извне (повышение температуры, загрязнение, влияние электромагнитных полей) может вывести их из хрупкого состояния сосуществования двух альтернатив: открыв коробку, мы точно узнаем, жив кот или нет, а проведенное наблюдателем измерение помогает электрону определиться-таки, в какую же сторону он вращается. Именно поэтому уже построенные 512-кубитовые квантовые компьютеры канадской компании D-Wave напоминают скорее гигантские 10-футовые черные холодильники, которые охлаждают маленький чип до температуры в 150 раз меньшей, чем средняя температура космоса.
Но это еще не все сложности. Квантовые компьютеры не только требуют для своей работы мощных охлаждающих установок, но еще и дают ответы только с определенной вероятностью (Эйнштейн нас предупреждал). 2 + 2 может 100 раз оказаться равным 4, а на 101-й — уже 5.
Наконец, вычисления квантового компьютера невозможно отследить. Исследователь может только приготовить начальный набор кубитов, запустить их в написанный квантовый алгоритм, где они будут взаимодействовать друг с другом, и ждать конца вычисления. Любая попытка подсмотреть, что происходит внутри чипа, какой бы аккуратной она ни казалась, все равно будет критична для квантовых систем. Даже несколько фотонов света, просто необходимых наблюдателю, чтобы что-то увидеть, сломают все хрупкие квантовые перепутанности и суперпозиции. Магия разрушится.
Разбуженный посреди ночи человек никогда не узнает концовку сна. Сбитый на полпути квантовый компьютер уже не доведет вычисление до конца. Неудивительно, что ввиду всех этих странностей многие специалисты сильно сомневаются, что человечеству нужны квантовые компьютеры. И еще сильнее — что компания D-Wave действительно их создала. Ведь отследить, что происходит внутри квантового чипа, невозможно, а кроме него и гигантского холодильника в системах D-Wave пока есть и вполне привычные кремниевые компьютеры, с помощью которых пользователь управляет всем этим квантовым хаосом.
Не особо впечатлили скептиков и первые успехи D-Wave: их 16-кубитные компьютеры, выпущенные в 2007 году, уже умели решать судоку, рассаживать людей за обеденным столом и даже искать молекулы по базам данных — но воображение явно не поражали. Дескать, все это умеет и обычный компьютер, старательно замаскированный огромной охлаждающей системой под машину будущего.
Но как же НАСА и ЦРУ? Поддерживают разработки дорогих игрушек? Попробуем разобраться, что же все-таки умеют и чему еще должны научиться квантовые компьютеры.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находится одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
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».
Альтернативные реальности
Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем Macbook. В другом вы, возможно, читаете это по мобильному телефону во время путешествия.
Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать конечного результата. Если традиционный компьютер делает «N» вычисления в «N» секунд, квантовый компьютер может выполнить «N 2» вычисления в то же время.
Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
Миф №1: квантовый компьютер может делать то же самое, что и обычный, но гораздо быстрее
Что нам рассказывают
В последнее время развитие вычислительной техники замедлилось. Знаменитый закон Мура, с 1975 года успешно предсказывавший удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 24 месяца, к началу 2010-х годов перестал выполняться. Не растет и тактовая частота процессоров, застывшая на уровне 5 ГГц. Это связано с фундаментальными ограничениями, к которым начали приближаться разработчики электронной компонентной базы. До 2000 года размеры транзисторов действительно уменьшались каждые два года вдвое. Если бы эта тенденция сохранилась, к 2017 году этот параметр дошел бы приблизительно до 0,4 нм, то есть до размера восьми атомов водорода, а в действительности сейчас еще только ведется подготовка к выпуску процессоров с размером транзистора в 5 нм, что в 100 раз больше атома водорода. В общем, развитие вычислительной техники, на котором в значительной мере основывался прогресс науки и техники последних десятилетий, замедлился. Считается, что квантовый компьютер сможет помочь этой беде. Недаром свою лекцию профессор Мартинис назвал «Квантовый компьютер: жизнь после закона Мура».
Слово профессору Мартинису: «Электрон может находиться одновременно в разных точках своей орбиты. С точки зрения законов классической физики это просто не имеет смысла, но именно благодаря этому… мы можем одновременно рассчитать какую-то задачу при 0 и при 1… Два кубита могут дать нам четыре состояния, которые происходят одновременно. Каждый раз, когда мы добавляем кубит, вычислительная мощность увеличивается в два раза. Если у вас будут 300 кубитов, то это больше состояний, чем атомов во Вселенной. Я вас уверяю, что классический компьютер такого размера никогда не будет создан, даже в Google».
Профессор из Санта-Барбары прав: квантовый компьютер – это очень круто. Вопрос только в том, что воспользоваться его преимуществами можно лишь с помощью специальных квантовых алгоритмов. Широко известны пять таких алгоритмов, однако практический смысл есть только у двух из них – у алгоритма Шора и алгоритма Гровера, а экспоненциальное ускорение расчетов дает только один – алгоритм Шора. А вот если вы захотите произвести самый обыкновенный расчет с использованием четырех основных действий арифметики, на которых и строятся решения бессчетного числа практических задач, то квантовые вычисления вам не помогут. Для сложения, вычитания, умножения и деления известны лишь классические, «цифровые» алгоритмы.
Разумеется, квантовый компьютер вполне может «притвориться» обычным и использовать стандартные алгоритмы, но для этого его волшебные кубиты должны принять значение 0 или 1, то есть стать обычными битами. В итоге квантовый компьютер из 300 кубитов, который еще недавно вмещал всю Вселенную, по своим возможностям станет равен обычному компьютеру из 300 битов. Напомним, что в любом современном смартфоне таких битов – миллиарды. Сказать, что квантовых компьютеров с таким числом «битых» кубитов не создадут никогда, будет преувеличением, но сделают это еще очень нескоро. Даже в Google. И прежде всего потому, что в этом нет абсолютно никакого смысла. Такой компьютер не будет ни компактнее, ни дешевле, ни быстрее обычного, даже если в роли кубитов будут выступать отдельные атомы.
Полупроводниковый процессор Intel прекрасно работает у вас в кармане, а для его имитации с помощью кубитовой системы, даже построенной на отдельных атомах, требуется сложное и громоздкое криогенное оборудование с охлаждением до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля, вакуумные камеры, сверхчистые помещения, лазеры, дорогие материалы, сложнейшие приборы для измерения квантовых состояний, управляющий всей этой машинерией обычный компьютер плюс изоляция от любых воздействий, поскольку нарушить тончайшие квантовые связи может не только проезжающий за окном трамвай, но и любой «чих» на другой стороне планеты. Миниатюризировать эту морозильную камеру до размеров, цены и практичности обычного компьютера, не говоря о лэптопе, в обозримом будущем вряд ли удастся.
Но самое главное, никаких преимуществ собственно в скорости счета это все равно не даст. Квантовый компьютер с триллионом кубитов будет умножать 2 на 2 в лучшем случае с той же скоростью, что и обычный. Только за очень большие деньги.
С этим соглашается и сам Джон Мартинис в своей лекции: «Создать полезный квантовый компьютер будет очень сложно. Нет гарантии, что мы это сделаем. Тому есть множество технических причин, но, возможно, самая интересная причина в том, что у нас есть классический компьютер».
1998
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
Корпоративная Академия Росатома
Корпоративная Академия Росатома — крупная отраслевая образовательная организация, надежный партнер Росатома по реализации проектов в поддержку бизнеса. Сегодня в портфеле Академии 320 программ обучения, которые нацелены на решение конкретных отраслевых задач. Помимо обучения руководителей и специалистов отрасли, Академия реализует проекты, направленные на развитие корпоративной культуры, формирование лидерского потенциала сотрудников, привлечение талантливых выпускников в отрасль, а также готовит новое поколение рабочих и инженеров по стандартам WorldSkills.
- О гиде
- 01 Квантовые вычисления: обмануть декогеренцию
- 02 Закон Мура для сверхпроводников
- 03 Квантовые алгоритмы
- 04 Квантовый объем
- 05 Всемогущий кубит
- 06 Кубит: сердце квантового компьютера
- 07 Сверхпроводящие кубиты
- 08 Как работает квантовый компьютер?
- 09 Квантовый симулятор
- 10 Ловушка для газа атомов
Поделиться с друзьями
