Все, что вы хотели знать о квантовых компьютерах, но боялись спросить
Научная лаборатория компьютерной компании НИКС уже много лет занимается исследованиями в области нанотехнологий. И, разумеется, мы не могли пройти мимо такого события, как IV Международная конференция по квантовым технологиям, которая прошла в Москве в июле 2017 года. Публикация, посвященная этой модной теме, получилась достаточно объемной, поэтому тем, кто любит науку не только глазами, но и ушами, могут познакомиться с ее видеоверсией: https://youtu.be/MRfLwutYqvQ
Гвоздем программы форума стала лекция руководителя лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google и NASA, профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джона Мартиниса, собравшая вечером в пятницу 1300 человек, среди которых были не только ученые, но и представители российских финансовых кругов: ВЭБа, Сбербанка, Газпромбанка. Мы полагаем, что неограниченному кругу читателей nix.ru будет интересно узнать, почему даже разговоры о квантовых компьютерах привлекают к себе столько внимания и что мешает этим разговорам превратиться в реальность. Давайте же рассмотрим наиболее расхожие представления о квантовых компьютерах и выясним, как дело обстоит на самом деле.
ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?
Квантовый компьютер – это устройство для вычислений, которое работает на основе квантовой механики.
На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, которое невозможно создать с учетом имеющихся данных в квантовой теории.
Квантовый компьютер, для вычисления использует не классические алгоритмы, а более сложные процессы квантовой природы, которые еще называют квантовыми алгоритмами. Эти алгоритмы используют квантовомеханические эффекты:квантовую запутанность и квантовый параллелизм.
Чтобы понять, зачем вообще необходим квантовый компьютер, необходимо представить принцип его действия.
Если обычный компьютер работает за счет проведения последовательных операций с нулями и единицами, то квантовый компьютер использует кольца из сверхпроводящей пленки. Ток может течь по этим кольцам в разных направлениях, поэтому цепочка таких колец может реализовывать одновременно намного больше операций с нулями и единицами.
Именно большая мощность является основным преимуществом квантового компьютера. К сожалению, эти кольца подвержены даже самым малейшим внешним воздействиям, в результате чего направление тока может меняться, и расчеты оказываются в таком случае неверными.
Почему кубиты такие хрупкие?
Реальность такова, что монеты, или кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Представьте, что у меня на столе крутится монетка и кто-то толкает стол. Монетка может упасть быстрее. Шум, изменение температуры, электрические флуктуации или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Наши кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля.
Интересно, как будет работать такая штука.
Для чего мы будем использовать квантовые компьютеры?
Уже сегодня есть некоторые планы и предположения, но наиболее интересные направления для использования кубитов, вероятно, станут известны, когда квантовые компьютеры получат широкое распространение.
Одним из самых популярных способов и наиболее обсуждаемых в отношении квантовых вычислений является криптография. Это метод передачи информации очень безопасен, и безопасность основана не на вычислительных трудностях, а на законах физики, которые гласят, что некоторые вещи просто невозможны.
Безопасность в этом случае гарантируется самими физическими свойствами кубитов, которые, как объяснялось ранее, перестают проявлять особенности суперпозиции, как только получен результат. Таким образом, любая попытка перехватить или даже скопировать закодированное сообщение просто уничтожит его.
Квантовые компьютеры также могут позволить нам лучше понять природные процессы. «Хаос» суперпозиции гораздо лучше отражает, например, мутации в ДНК, и, следовательно, развитие болезней и эволюции. Квантовые вычисления уже используются для создания новых лекарств.
Одно из интересных квантовых приложений – телепортировать информацию с места на место без физической передачи. Это звучит как фантастика, хотя это возможно, потому что квантовые частицы могут запутываться во времени и пространстве, так что изменение одной частицы может повлиять на другую, и это создает канал для «телепортации информации». Это уже было продемонстрировано в лабораториях, и это может стать частью квантового Интернета будущего.
И это только одна из великих идей того, что можно сделать с помощью квантовой физики. Но, сначала нам нужно укротить её капризный характер.
Представьте, что в системе неоднородная температура, она низкая, но есть отклонения. Вот эти отклонения могут изменить состояние кубита и внести ошибку в процесс вычислений. Ошибки накапливаются, а эффективных квантовых кодов коррекции ошибок пока нет.
— Правильно ли я понимаю, что Доктор Стрэндж, когда сидел с камнем времени в «Мстителях», использовал квантовые технологии? Он за короткое время просканировал огромное количество вариантов будущего и отыскал наиболее выгодный.
— Вполне возможно. То, что он сделал, похоже на квантовое превосходство. Квантовое превосходство — это когда простой квантовый компьютер решает задачу быстро, а самый мощный классический суперкомпьютер — медленно. Как вы понимаете, возникает много сопутствующих вопросов: что значит медленно и быстро, какую задачу? Вокруг этого строится очень серьезная дискуссия, но в целом на интуитивном уровне каждому человеку это понятно. Мы берем вычислительную задачу, запускаем ее на квантовом компьютере, который выполняет ее, скажем, за минуту, а классический тратит на нее год или десять тысяч лет.
Квантовое превосходство впервые продемонстрировала компания Google. Она взяла вполне конкретную задачу — «моделирование случайных квантовых цепочек» и запустила ее на квантовом компьютере и на классическом суперкомпьютере.
Как появился суперкомпьютер
В 1980-е годы, когда возникли первые игровые 3D-миры вроде Maze War и Battlezone, перед их создателями встал вопрос, как достоверно отобразить трехмерные объекты на плоском экране. Для этого требовалось просчитать траекторию смещения всех точек проекции на экране, то есть решить простое геометрическое уравнение для каждой точки. Сама по себе задача проста, но проблема заключалась в следующем: проводить вычисления для множества точек стандартными процессорами, которые выполняют операции только последовательно, было бы долго и дорого.
Решение нашлось довольно быстро: пришлось объединить усилия маломощных ядер в одном процессоре. Каждое из этих ядер параллельно с другими решало свою небольшую задачу. Так появились графические сопроцессоры GPU, как бы состоящие из тысячи маленьких компьютеров, способных решать ограниченный класс задач.
Именно системы с чрезвычайно высокой вычислительной производительностью, работающие по принципу «делить задачу на множество более простых подзадач и решать их параллельно», называют суперкомпьютерами.
Прародителем суперкомпьютеров считают Cray-1, который был представлен широкой публике в 1975 году. Первую в своем роде машину получила одна из лабораторий министерства энергетики США: новая вычислительная мощность обеспечила учреждению шестимесячную фору перед остальными организациями, пока инженеры готовили вторую систему.
Современные суперкомпьютеры состоят из нескольких тысяч мощных вычислительных серверов, соединенных друг с другом высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности при распараллеливании сложной вычислительной задачи.
Сейчас в этой нише лидируют японский Fugaku и американский Summit. Первый, к примеру, способен производить 400 квадриллионов операций в секунду — он примерно в три раза быстрее, чем Summit. По общему количеству вычислительных устройств в государстве лидирует Китай, причем с большим отрывом: из топ-500 суперкомпьютеров 187 функционируют именно там, а в Штатах — 122. Однако половина самых мощных машин установлена в США.
Другими словами, технология давно известна и активно применяется, а победитель этой супергонки напрямую зависит от размера инвестиций и последующего масштабирования. Так, несколько лет назад отечественная разработка «Ломоносов-2» входила в двадцатку лучших, а сейчас она на 199 месте в мировом Топ-500. По общей мощности супервычислителей Россия находится на 18 месте в мире.
Квантовые компьютеры сегодня
Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. Октябрь 2019
В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!
Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.
Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.
Таймлайн
Да, именно так))). Сейчас неопределённость — это что-то непонятное, не нужное, спорное. а иногда и вредное. но я считаю это идеально для развития, когда всё возможно, когда ограничений нет. Рост возможности вычислений позволит снимать ограничения всё быстрее. Верю, что выбор настолько расширится, что можно быть кем хочешь, когда, где, в разном обличии. Для развития человечества — это такой сложный выбор, как и сейчас . Все уже чувствуют, что изменения настолько ускоряются. Человечество преоразится тысячами вариантами. в большинстве оно себя уничтожит, уверен что это даже спрогнозируют намеренно и дадут посмотреть миллиардам людей, как бы это было. но, как и сейчас будут те кто разработает лучшее применение, инное восприятие, глубокое, умное, близкое к Богу. Посмотрим, . может это и не я говорю. ))) Хотя так и есть. я не говорю вовсе, а пишу у себя, а видите Вы причём там, где я могу и не могу знать одновременно))).
Увы но математическая неопределенность и приведет к не точным рассчетам и искаженной реальности. Поэтому в математике нужна революция ,а именно в том ,что необходимо использовать функцию постоянного значения числа
На какой уровень научной подготовки рассчитана эта статья? Сколько людей могут понять то, о чем здесь пишется? Что такое «кубит»? Посмотрел. Квантовый разряд. И что это такое — квантовый разряд? Что такое «квантовое превосходство»? Как понять » слова «два кубита с суперпозицией поляризации»? Искал в интернете популярно о квантовой механике. Нашел про кота Шредингера. Как это так — кто жив и мертв одновременно? Это типа я сыт и голоден одновременно? Или трахал женщину или не трахал? Я пишу этот коммент и не пишу! Однако! Это какие мозги надо иметь, чтобы понять, что я — это вовсе не я!
Вы бсолютно правы ！Хотят создатели КК или нет , но они остаются,в плену двоичной логики формирования и передачи кода. Поэтому необходим переход к многополярной логике и комплексу других решений.
Хотя создание квантового компьютера считается одной из прерывных технологий будущего, имеются обоснованные сомнения в реальности этой популярной идеи. Причины сомнений в реальности квантового компьютера изложены в статье В.В. Аристова и А.В. Никулова «О причинах сомнений в реальности квантового компьютера», опубликованной недавно в журнале «Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника» вып. 2(170) стр. 56-71 (2018). Согласно аннотации, в статье «Рассматриваются причины сомнений в реальности квантового компьютера, такие как противоречие идеи квантовых вычислений с реализмом, сомнения в возможности мистического действия на расстоянии и существовании множества параллельных вселенных. Идея квантовых вычислений появилась вследствие непонимания смысла спора между критиками (Эйнштейн и др.) и защитниками (Бор и др.) квантовой механики. Появление квантовой информатики свидетельствует скорее о кризисе физике, чем о технологическом прорыве». О противоречии квантовой механики с реализмом есть множество публикаций за рубежом, но не у нас. Большинство физиков Советской школы не хотят слышать о противоречии квантовой механики с реализмом, что связано с идеологической цензурой в Советское время. Статья, опубликованная в «Микроэлектронике», является единственной публикацией на русском языке в которой объясняется смысл противоречия квантовой механики с реализмом.
