Серьезные квантовые компьютеры готовы к работе. На что они способны? (3 фото). Фото квантовый компьютер
Насколько мы близки к созданию квантового компьютера? (2 фото)
Гонка в самом разгаре. Ведущие компании мира пытаются создать первый квантовый компьютер, в основе которого лежит технология, давно обещающая ученым помочь в разработке дивных новых материалов, идеальном шифровании данных и точном прогнозировании изменений климата Земли. Такая машина наверняка появится не раньше чем через десять лет, но это не останавливает IBM, Microsoft, Google, Intel и других. Они буквально поштучно выкладывают квантовые биты – или кубиты – на процессорном чипе. Но путь к квантовым вычислениям включает много больше, чем манипуляции с субатомными частицами.
Кубит может представлять 0 и 1 одновременно, благодаря уникальному квантовому явлению суперпозиции. Это позволяет кубитами проводить огромное количество вычислений одновременно, значительно увеличивая вычислительную скорость и емкость. Но существуют разные типы кубиты, и не все они создаются одинаковыми. В программируемом кремниевом квантовом чипе, например, значение бита (1 или 0) определяется направлением вращения его электрона. Однако кубиты чрезвычайно хрупкие, и некоторым нужна температура в 20 милликельвинов – в 250 раз холоднее, чем в глубоком космосе, – чтобы оставаться стабильными.
Конечно, квантовый компьютер – это не только процессор. Этим системам нового поколения потребуются новые алгоритмы, новое программное обеспечение, соединения и куча еще не изобретенных технологий, извлекающих выгоду из колоссальной вычислительной мощи. Кроме того, результаты вычислений нужно будет где-то хранить.
«Если бы все не было так трудно, мы бы уже сделали один», говорит Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию в Intel Labs. На выставке CES в этом году Intel представила 49-кубитовый процессор под кодовым названием Tangle Lake. Несколько лет назад компания создала виртуальную среду для испытаний квантового ПО; она использует мощный суперкомпьютер Stampede (в Техасском университете) для имитации 42-кубитового процессора. Однако, чтобы на самом деле понять, как писать ПО для квантовых компьютеров, нужно моделировать сотни или даже тысячи кубитов, говорит Кларк.
Scientific American взял у Кларка интервью, в котором тот рассказал о разных подходах к созданию квантового компьютера, почему они такие хрупкие и почему вся эта затея занимает так много времени. Вам будет интересно.
Чем квантовые вычисления отличаются от традиционных?
Распространенная метафора, которая используется для сравнения двух видов вычислений, — это монетка. В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Но если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1, у вас квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.
Пространство состояний – или способность перебирать огромное число возможных комбинаций – в случае с квантовым компьютером экспоненциально. Представьте, что у меня в руке две монеты и я подбрасываю их в воздух одновременно. Пока они вращаются, они представляют четыре возможных состояния. Если я подброшу три монеты в воздух, они будут представлять восемь возможных состояний. Если я подброшу в воздух пятьдесят монет и спрошу у вас, сколько состояний они представляют, ответом будет число, которое не сможет рассчитать даже самый мощный суперкомпьютер мира. Триста монет – все еще относительно небольшое число – будет представлять больше состояний, чем атомов во Вселенной.
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.
Как разные типы кубитов различаются между собой?
Существует не меньше шести или семи различных типов кубитов, и примерно три-четыре из них активно рассматриваются для использования в квантовых компьютерах. Разница в том, как манипулировать кубитами и заставить их общаться между собой. Нужно, чтобы два кубита общались между собой, чтобы проводить большие «запутанные» расчеты, и разные типы кубитов запутываются по-разному. Описанный мной тип, который требует чрезвычайного охлаждения, называется сверхпроводящей системой, которая включает наш процессор Tangle Lake и квантовые компьютеры, построенные Google, IBM и другими. Другие подходы используют осциллирующие заряды пойманных ионов – удерживаемых на месте в вакуумной камере лазерными лучами – которые выступают в роли кубитов. Intel не разрабатывает системы с пойманными ионами, потому что для этого нужно глубокое знание лазеров и оптики, нам это не под силу.
Тем не менее мы изучаем третий тип, который называем кремниевыми спин-кубитами. Они выглядят точно как традиционные кремниевые транзисторы, но оперируют одним электроном. Спин-кубиты используют микроволновые импульсы для контроля спина электрона и высвобождения его квантовой силы. Эта технология сегодня менее зрелая, чем технология сверхпроводящих кубитов, однако, возможно, имеет гораздо больше шансов масштабироваться и стать коммерчески успешной.
Как добраться до этого момента отсюда?
Первый шаг – сделать эти квантовые чипы. В то же время мы провели моделирование на суперкомпьютере. Чтобы запустить квантовый симулятор Intel, нужно порядка пяти триллионов транзисторов для моделирования 42 кубитов. Для достижения коммерческой досягаемости нужно порядка миллиона кубитов или больше, но, начав с симулятора вроде этого, можно построить базовую архитектуру, компиляторы и алгоритмы. Пока у нас не появятся физические системы, которые будут включать от нескольких сотен до тысячи кубитов, непонятно, какого рода программное обеспечение мы сможем на них запускать. Есть два способа нарастить размер такой системы: один – добавить больше кубитов, что потребует больше физического пространства. Проблема в том, что если наша цель – создать компьютеры на миллион кубитов, математика не позволит их хорошо масштабировать. Другой путь – сжать внутренние размерности интегральной схемы, но такой подход потребует сверхпроводящей системой, а она должна быть огромной. Спин-кубиты в миллион раз меньше, поэтому мы ищем другие решения.
Помимо этого, мы хотим улучшить качество кубитов, что поможет нам протестировать алгоритмы и создать нашу систему. Качество относится к точности, с которой информация передается со временем. Хотя многие части такой системы улучшат качество, самые большие успехи будут достигнуты благодаря разработке новых материалов и улучшению точности микроволновых импульсов и другой управляющей электроники.
Недавно Подкомитет по цифровой торговле и защите прав потребителей США провел слушания о квантовых вычислениях. Что законодатели хотят знать об этой технологии?
Есть несколько слушаний, связанных с разными комитетами. Если взять квантовые вычисления, можно сказать, что это технологии вычислений следующих 100 лет. Для США и других правительств вполне естественно интересоваться их возможностью. У Евросоюза есть план на много миллиардов долларов по финансированию квантовых исследований по всей Европе. Китай прошлой осенью анонсировал исследовательскую базу на 10 миллиардов долларов, которая займется квантовой информатикой. Вопрос ведь в чем: что мы можем сделать как страна на национальном уровне? Национальная стратегия квантовых вычислений должна быть в ведении университетов, правительства и промышленности, работающих совместно над разными аспектами технологии. Стандарты определенно необходимы с точки зрения коммуникаций или архитектуры программного обеспечения. Рабочая сила также представляет проблему. Сейчас, если я открываю вакансию эксперта по квантовым вычислениям, две трети заявителей, вероятно, будут не из США.
Какое влияние могут оказать квантовые вычисления на разработку искусственного интеллекта?
Как правило, первые предлагаемые квантовые алгоритмы будут посвящены безопасности (например, криптографической) или химии и моделированию материалов. Это проблемы, которые принципиально неразрешимы для традиционных компьютеров. Тем не менее есть масса стартапов и групп ученых, работающих над машинным обучением и ИИ с внедрением квантовых компьютеров, даже теоретического. Учитывая временные рамки, необходимые для разработки ИИ, я бы ожидал появления традиционных чипов, оптимизированных специально под алгоритмы ИИ, которые, в свою очередь, окажут влияние на разработку квантовых чипов. В любом случае ИИ определенно получит толчок из-за квантовых вычислений.
Когда мы увидим, что рабочие квантовые компьютеры решают реальные проблемы?
Первый транзистор был создан в 1947 году. Первая интегральная схема – в 1958 году. Первый микропроцессор Intel – который вмещал около 2500 транзисторов – вышел на свет только в 1971 году. Каждая из этих вех была разделена более чем десятилетием. Люди думают, что квантовые компьютеры вот уже за углом, но история показывает, что любые достижения требуют времени. Если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер на несколько тысяч кубитов, это определенно изменит мир так же, как его изменил первый микропроцессор.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Самый быстрый: как новый квантовый компьютер от Google изменит мир. Фото | Технологии
Квантовые компьютеры используют необычные свойства частиц квантовой природы для получения ускорения в решении ряда математических задач, например, при разложении чисел на простые множители или моделировании химических соединений. В этих задачах квантовый компьютер гораздо эффективнее классического, но для создания квантовых компьютеров требуется решить сложную научно-инженерную задачу.
Элементами квантовых компьютеров являются кубиты (квантовые биты — аналоги классических битов информации, являющихся элементарными единицами для вычислений). В отличие от классических битов, которые принимают значения либо 0, либо 1, квантовые системы находятся одновременно в этих состояниях. Такой «параллелизм» является ключевым для получения ускорения при решении задачах. Центральной проблемой является масштабируемость квантовых компьютеров: из-за хрупкости квантовых состояний тяжело создать систему из достаточно большого количества кубит, поскольку из-за воздействия окружения квантовые состояния разрушаются и в процессе вычислений возникают ошибки.
При этом считается, что порог «квантового превосходства» (quantum supremacy) находится на уровне 50 кубит — такая квантовая система потенциально может решать задачи, которые являются непосильными для самых быстрых суперкомпьютеров, построенных на полупроводниках (всех тех системах, что используются сейчас).
Конкуренты
Квантовый процессор от Google с 72 кубитами потенциально является значительным шагом вперед по сравнению с анонсированными в прошлом году 49-кубитными процессорами IBM и Intel, 51-кубитной системой Гарвардского университета и 53-кубитного симулятора Криса Монро из Объединенного квантового института в Мэриленде.
Кроме количества кубитов, важным является количество ошибок, совершаемых квантовым компьютером при работе. Группа Мартиниса развивает технологию построения квантовых компьютеров с использованием сверхпроводящих кубитов. Предыдущая модель из 9 кубит обладала очень низким уровнем ошибок. Интересным приемом при проектировании нового 72-кубитного процессора является переход от структуры цепочки, которая была реализована в 9-кубитном процессоре, к архитектуре двух массивов из 36 кубит. Такая схема расположения кубит позволяет задействовать квантовые коды исправления ошибок — отслеживать и исправлять ошибки в ходе вычислений. В результате в новом процессоре производительность выросла без вреда для результатов вычислений, поскольку удается сохранить достаточно низкий уровень ошибок.
В России также проектируются квантовые компьютеры на задействованных в работе Мартиниса сверхпроводящих кубитах. Российский квантовый центр, Институт физики твердого тела РАН, МИСиС, ВНИАА им. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана ведут работы по разработке квантового компьютера, использующего несколько кубит. Несмотря на количественное отставание, разрабатываемые технологии для приготовления, управления и измерения квантовых состояний будут полезны для масштабирования и создания следующих поколений сверхпроводящих квантовых процессоров.
Хотя крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, команды серьезно конкурируют между собой. При этом отдельное внимание уделяется взаимодействию команд физиков с уже существующей в IT-компаниях экспертизой по инженерии и информационным технологиями. Примеры Google и IBM показывают, что такой подход позволяет достаточно быстро развивать сложные научно-технологические проекты, к которым, безусловно, относится квантовый компьютер.
Борьба за квантовое превосходство идет сразу по нескольким фронтам. Строятся более мощные и более совершенные архитектуры квантовых компьютеров, ищутся более эффективные квантовые алгоритмы и подходящие задачи. Тем не менее остаются важные вопросы по дальнейшему масштабированию схемы и количеству операций, которые можно будет выполнять.
Практическое применение
Переводя вопрос в практическую плоскость можно спросить: насколько полезны те задачи, которые могут быть решены на квантовом компьютере группы Мартиниса?
Квантовые компьютеры разительно отличаются от традиционных. В них пока нельзя и думать загрузить операционную систему Windows (или Linux), сложное ПО и посчитать, быстро он работает или нет. Поэтому ученым приходится отдельно исследовать задачи, в которых может быть очевидно преимущество сверхпроводящего процессора над традиционным. Интересно, что как раз группа Мартиниса в сентябре опубликовала работу, в которой описала такую задачу, но пока неизвестно, удалось ли на практике проверить новый 72-кубитный процессор.
Сформулированная задача является абстрактной и не имеет практического приложения. Очевидно, что после демонстрации самого факта «квантового превосходства», пусть и на абстрактной задаче, необходимо будет найти полезный для индустрии кейс применений квантовых вычислений. В этом направлении серьезную конкуренцию Google составляют IBM (в рамках проекта IBM Q Experience) и Rigetti Computing, которые открыли облачный доступ к своим квантовым платформам. Также к ним присоединяется компьютер от Alibaba, созданный в рамках совместного проекта с Китайской академией наук.
Собирая данные по решенным задачам, можно получить большой объем информации о направлениях, которые могут быть интересны для конечных пользователей. Откроет ли Google доступ к своему компьютеру? Покажет ли решение абстрактной или полезной задачей для квантового превосходства? Насколько обоснован оптимизм относительно дальнейшего масштабирования системы? Ближайшие месяцы должны дать ответы на эти ключевые вопросы.
www.forbes.ru
Создан первый перепрограммируемый квантовый компьютер (2 фото)
5 августа 2016 Автор: nlo-mir Новые технологии
Учёным из Университета Мэриленда удалось создать первый в мире программируемый и перепрограммируемый квантовый компьютер. Учёные много лет шли к этой цели, ведь квантовые компьютеры могут решить множество проблем, с которыми не справляются компьютеры традиционные, информация внутри которых передаётся при помощи электрического напряжения. Теоретически квантовый компьютер способен одновременно производить столько вычислений, число которых даже сложно себе представить. Но начинать учёным всегда приходится с малого.
Квантовые компьютеры удавалось создать и ранее, но достижение исследователей из Мэриленда заключается в том, что теперь компьютер можно перепрограммировать, не внося при этом изменений в его физическую архитектуру. Результаты своих исследований учёные опубликовали в престижном журнале Nature. Руководил разработкой компьютера доктор Шантану Дебнат. Устройство представляет собой набор из пяти взаимосвязанных кубитов (квантовых бит информации) на базе ионов иттербия. Иттербий является одним из наиболее изученных элементов, подходящих для использования в такого рода проектах.
Каждый кубит совмещает в себе роли ячейки памяти и вычислительного модуля. Он может одновременно хранить в себе логический ноль и единицу, благодаря законам квантовой физики. Объединить кубиты между собой удалось при помощи лазеров и магнитных полей. Учёные расположили пять кубитов в форме пентаграммы, а затем начали управлять ими с помощью обычного компьютера, создавая между ними новые связи и разрушая старые.
Было написано специальное программное обеспечение, которое трансформирует любые математические алгоритмы в понятные квантовому компьютеру инструкции. В ходе экспериментов на созданном квантовом компьютере были запущены алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также алгоритм квантовых преобразований Фурье. Учёные особенно гордятся тем, что их компьютер отличается крайне высокой надёжностью по сравнению с предыдущими попытками создать подобную вычислительную машину. Кубиты выдают ошибку лишь в 2% случаев, что является большим достижением.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Google построил 72-кубитный квантовый компьютер
Julian Kelly / Google
Компания Google построила квантовый процессор, в котором 72 сверхпроводниковых кубита объединены в двумерный массив. Этот процессор использует ту же технологию, что и предыдущий 9-кубитный квантовый компьютер, построенный компанией и имеющий низкий процент ошибок при вычислениях. Новую разработку компания представила на ежегодной встрече Американского физического сообщества в Лос-Анджелесе, кратко о ней сообщается в блоге компании.
Главное препятствие, мешающее построить квантовый компьютер с большим числом кубитов, — это ошибки, которые неизбежно возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты из-за разрушения их квантового состояния. Чем больше кубитов, тем выше вероятность, что кубит станет взаимодействовать со своим «соседом», и тем чаще возникают ошибки. Если говорить более строго, время декогеренции (распада суперпозиции) системы быстро уменьшается при увеличении числа входящих в ее состав компонент.
Тем не менее, ученые уже придумали несколько способов, с помощью которых можно бороться с этой проблемой, и построили квантовые компьютеры, в состав которых входит несколько десятков кубитов. Так, в течение прошлого года сразу несколько групп сообщили о создании квантовых вычислителей, состоящих из 49 (IBM), 51 (группа Михаила Лукина) и 53 (группа Кристофера Монро) кубитов. Более того, с помощью построенных компьютеров ученые открыли новые эффекты, которые нельзя было рассчитать на классических компьютерах. Таким образом, ученые уже практически достигли квантового превосходства.
В то же время, в июне 2016 года группа исследователей из Google под руководством Джона Мартиниса (John Martinis) построила квантовый компьютер, состоящий из девяти сверхпроводниковых кубитов (кубитов на основе джозефсоновского перехода), соединенных в цепочку. Главной особенностью этого компьютера была высокая надежность: при считывании состояний ошибки возникали примерно в одном случае из ста, при работе однокубитного логического вентиля (single-qubit gate) вероятность ошибки составляла примерно 0,1 процента, а для двухкубитного вентиля — менее 0,6 процента. Это позволило ученым предположить, что в будущем систему можно будет легко масштабировать.
Действительно, вчера компания Google сообщила о создании 72-кубитного квантового процессора, построенного по той же схеме, что и его 9-кубитный предшественник. В новом компьютере кубиты соединены не в цепочку, а образуют два квадратных массива 6×6, расположенных друг над другом. Это позволяет отслеживать и исправлять ошибки, возникающие во время вычислений. Пока что компания не раскрывает подробных характеристик построенного устройства, однако утверждает, что оно позволяет достичь квантового превосходства.
Фотография (слева) и схема (справа) нового квантового компьютера
Julian Kelly / Google
Чтобы подтвердить свое заявление, ученые теоретически оценили, при каких условиях построенную систему нельзя будет смоделировать на классическом компьютере. Согласно с их расчетами, для этого в ее состав должно входить не менее 49 кубитов, «глубина» (circuit depth) должна превышать 40 кубитов, а вероятность ошибки в двухкубитном логическом элементе должна быть не выше 0,5 процента. Для построенного компьютера эти требования выполняются.
В ноябре прошлого года сразу две группы ученых по-разному реализовали алгоритм, позволяющий отслеживать и исправлять ошибки, неизбежно возникающие при квантовых вычислениях, еще раньше о разработке процессора с автоматическим исправлением ошибок сообщала IBM. В декабре физики из Австралии и Нидерландов предложили интегральную схему для квантового компьютера, на которой можно легко разместить несколько тысяч кубитов на основе квантовых точек, а в январе экспериментально изготовили такие кубиты.
Дмитрий Трунин
nplus1.ru
Серьезные квантовые компьютеры готовы к работе. На что они способны? (3 фото)
В небольшой лаборатории в пышной сельской местности в сотне километров к северу от Нью-Йорка с потолка свисает сложная путаница трубок и электроники. Это компьютер, пусть и беспорядочный на вид. И это не самый обычный компьютер. Возможно, на его роду написано стать одним из важнейших в истории. Квантовые компьютеры обещают производить вычисления далеко за пределами досягаемости любого обычного суперкомпьютера. Они могут произвести революции в сфере создания новых материалов, позволив имитировать поведение материи вплоть до атомного уровня. Они могут вывести криптографию и компьютерную безопасность на новый уровень, взламывая доныне неприступные коды. Есть даже надежда, что они выведут искусственный интеллект на новый уровень, помогут ему более эффективно просеивать и перерабатывать данные.
И только сейчас, спустя десятилетия постепенного прогресса, ученые, наконец, приблизились к созданию квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы делать то, что обычные компьютеры делать не могут. Этот ориентир красиво называют «квантовым превосходством». Движение к этому ориентиру возглавляет Google, за ним следуют Intel и Microsoft. Среди них — хорошо финансируемые стартапы: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits и другие.
И все же никто не может сравниться с IBM в этой области. Еще 50 лет назад компания добилась успехов в области материаловедения, которая заложила основы для компьютерной революции. Поэтому в прошлом октябре MIT Technology Review отправились в Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM, чтобы ответить на вопрос: в чем квантовый компьютер будет хорош? Можно ли построить практический, надежный квантовый компьютер?
Зачем нам нужен квантовый компьютер?
Этот исследовательский центр, расположенный в Йорктаун-Хайтс, немного похож на летающую тарелку, как и задумывалось в 1961 году. Он был спроектирован архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построен во время расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM была крупнейшей компьютерной компанией в мире, и за десять лет строительства исследовательского центра она стала пятой крупнейшей компанией в мире, сразу после Ford и General Electric.
Хотя коридоры здания смотрят на деревню, дизайн таков, что ни в одном из офисов внутри нет окон. В одной из таких комнат и обнаружился Чарльз Беннет. Сейчас ему 70, у него большие белые бакенбарды, он носит черные носки с сандалиями и даже пенал с ручками. В окружении старых компьютерных мониторов, химических моделей и, неожиданно, небольшого диско-шара, он вспоминал рождение квантовых вычислений так, будто это было вчера.
Когда Беннетт присоединился к IBM в 1972 году, квантовой физике уже было полвека, но вычисления все еще полагались на классическую физику и математическую теорию информацию, которую Клод Шеннон разработал в MIT в 1950-х годах. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин он популяризовал, но не изобрел), необходимых для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, легли в основу традиционных вычислений.
Спустя год после прибытия в Йорктаун-Хайтс Беннетт помог заложить основу для теории квантовой информации, которая бросила вызов предыдущей. Она использует причудливое поведение объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица может существовать в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций) одновременно. Две частицы также могут «запутываться», так что изменение состояния одной мгновенно отзывается на второй.
Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, которые занимают слишком много времени или вообще невозможны, можно было бы эффективно проводить при помощи квантовых явлений. Квантовый компьютер хранит информацию в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в огромном числе состояний. Сравнивать квантовые и классические компьютеры не совсем правильно, но, выражаясь фигурально, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов может производить больше вычислений одновременно, чем атомов в известной вселенной.
Летом 1981 года IBM и MIT организовали знаковое мероприятие под названием «Первая конференция по физике вычислений». Оно проходило в отеле Endicott House, особняке во французском стиле недалеко от кампуса MIT.
На фото, которое Беннетт сделал во время конференции, на лужайке можно увидеть некоторых из самых влиятельных фигур в истории вычислительной и квантовой физики, включая Конрада Зузе, который разработал первый программируемый компьютер, и Ричарда Фейнмана, внесшего важный вклад в квантовую теорию. Фейнман держал на конференции ключевую речь, в которой поднял идею использования квантовых эффектов для вычислений.
«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».
Квантовый компьютер IBM — один из самых перспективных из всех существующих — расположен прямо по коридору от офиса Беннетта. Эта машина предназначена для создания и манипуляции важным элементом квантового компьютера: кубитами, которые хранят информацию.
Пропасть между мечтой и реальностью
Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.
Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.
В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при 50 кубитах это будет практически невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.
Но ученые из IBM скажут вам, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все 50 кубитов работали идеально, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.
«Если бы у вас было 50 или 100 кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».
Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.
Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM. «Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы».
Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.
Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.
В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.
Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.
Что для физика мечта, для инженера кошмар
«Шумиху подталкивает осознание того, что квантовые вычисления реальны», говорит Айзек Чуань, профессор MIT. «Это уже не мечта физика — это кошмар инженера».
Чуань руководил разработкой самых первых квантовых компьютеров, работая в IBM в Альмадене, Калифорния, в конце 1990-х – начале 2000-х годов. Хотя он больше не работает на них, он также считает, что мы находимся в начале чего-то очень большого и что квантовые вычисления в конечном итоге сыграют роль даже в развитии искусственного интеллекта.
Он также подозревает, что революция не начнется, пока новое поколение студентов и хакеров не начнет играть с практическими машинами. Квантовые компьютеры требуют не только иных языков программирования, но и принципиально иного способа мышления о программировании. Как говорит Гамбетта, «мы на самом деле не знаем, что эквивалентно «Привет, мир» на квантовом компьютере».
Но мы начинаем искать. В 2016 году IBM соединила небольшой квантовый компьютер с облаком. Используя инструмент для программирования QISKit, вы можете запускать простейшие программы; тысячи людей, от академиков до школьников, уже создавали программы на QISKit, которые обрабатывают простые квантовые алгоритмы. Теперь Google и другие компании также пытаются вывести квантовые компьютеры в онлайн. Они не способны на многое, но дают людям возможность прочувствовать, что такое квантовые вычисления.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Формула будущего: сможет ли Россия первой создать квантовый компьютер. Фото | Технологии
Кванты под наблюдением
В январе 2017 года журнал Nature — одно из самых авторитетных научных изданий — опубликовал статью о том, что квантовые компьютеры уже готовы к тому, чтобы «выскочить из лаборатории». Несмотря на то что за прошедшее время полноценный квантовый компьютер еще не создан, последние полтора года квантовые технологии являются одним из наиболее обсуждаемых научных направлений. Поводов для этого достаточно, поскольку в «квантовой гонке» участвуют ведущие мировые исследовательские центры, такие как Гарвардский университет и Массачусетский технологический институт, и крупные IT-компании в лице Google, IBM, Microsoft, Intel, Alibaba и многих других. В Европе и Китае, чтобы не отставать от США, запускаются масштабные программы развития квантовых технологий. Эти программы дают свои первые плоды. По данным Bloomberg, c 2013 года Китай обгоняет США по количеству патентных заявок в области квантовых вычислений.
В России квантовые технологии также под пристальным вниманием. О том, чтобы создать в России экспериментальные платформы для квантовых вычислений, сравнимые с результатами Google или группы из Гарварда, говорят много и на разных уровнях. Теперь у объявленного консорциума появился проект, претендующий на большее.
Однако поставленные сроки вызывают вопросы. Во-первых, если судить по научным публикациям, то к созданию своих платформ группы Михаила Лукина и Джона Мартиниса шли десятки лет. Возможно ли сделать это (даже с учетом консолидации усилий и имеющейся базы) за 3 года?
Во-вторых, амбиции проекта распространяются не только на построение прототипов квантовых компьютеров, но и решение с их помощью практических задач. Например,в сфере моделирования новых материалов. В этом направлении пока не преуспели даже лидеры квантовой гонки. Возможность квантовых компьютеров решать задачи быстрее, чем на традиционных полупроводниковых называется квантовым превосходством. Пока его удается продемонстрировать только в специально сконструированных задачах, далеких от решения практических проблем.
В-третьих, работа требует существенных ресурсов. Один только Google на свои исследования затратил более $100 млн. А суммарные вложения ведущих мировых групп, включая IT-компании, а также активно развивающих данное направление Европы и Китая, превысили $1 млрд. Это намного больше средств, выделяемых на эту область в РФ.
В итоге желание достигнуть обозначенной цели за 3 года впечатляет и вызывает уважение. Тем не менее выбранная стратегия ставит больше вопросов, чем дает ответов.
Смена лошадей
Основными «рабочими лошадками» квантовых компьютеров являются кубиты. За счет необычного явления – квантовой суперпозиции – квантовые биты могут быть и логическим нулем «0», и логической единицей «1» одновременно (в отличие от классических битов, которые могут быть лишь в одном из этих состояний). (Подробнее принцип работы квантовых компьютеров описан здесь — Forbes ) Такой «параллелизм» дает квантовому компьютеру колоссальные преимущества над классическим при решении целого класса задач — он одновременно проводит массу вычислений, на которые обычным компьютерам понадобилось бы долгое время. Чем больше кубитов, тем больше преимущество при прочих равных. Но просто кубитами производительность не измерить, так как они выполняются по разной технологии. Условно, можно считать на счетах, а можно на палочках. Инструменты сейчас чуть сложнее, но выбор есть.
Большинство ведущих разработчиков квантовых компьютеров используют кубиты, основанные на сверхпроводниках: именно так работает самый большой и «самый квантовый» в мире на сегодняшний день компьютер от Google, а также доступные в облаке компьютеры IBM и Righetti. В России первым созданным и измеренным был также сверхпроводниковый кубит — его реализовали ученые из Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Российского квантового центра, МИСиС и ИФТТ РАН при поддержке ФПИ.
В проекте выбраны кубиты на основе нейтральных атомов и интегральной оптике. Опыт разработки подобных систем в России есть, но в мире ультрахолодные атомы, ионы или интегрально-оптические системы, рассматриваются как основа для квантовых симуляторов. Квантовые симуляторы — это узкоспециализированные квантовые компьютеры, направленные на решение определенных (достаточно узких) классов задач.
Если на «индустриальное» лидерство сверхпроводящих кубитов делают ставки такие гиганты, как Google и IBM, эта технология есть и развивается в России, то не в полной мере ясно почему в рамках одобренного проекта выбор пал именно на атомы и интегральную оптику. Поддержка технологий кубитов на сверхпроводниках в России и организация масштабного проекта могли бы дать этому направлению второе дыхание, что, в свою очередь, могло бы привести к серьезному ускорению в квантовой гонке.
Без права на ошибку
Состояния суперпозиции, в которых живут кубиты, являются очень хрупкими. Любое неконтролируемое воздействие окружающей среды может их разрушить, что приводит к ошибкам в вычислениях. Для проведения вычисления с 1’000 логических (идеальных) кубитов поэтому требуется 1’000’000 или даже больше физических (кубитов). При этом большая часть физических кубитов используется не для решения задачи, а для коррекции ошибок. Возможность реализации кодов коррекции ошибок является одним из ключевых преимуществ 72-кубитного квантового чипа Google.
В одобренном техническом задании проекта, которым будет заниматься консорциум, нет четкой грани между разработкой физических или логических кубит. При этом указано, что необходим выполнять «универсальный набор логических операций». Можно предположить два возможных сценария.
Возможно, но практически без прикладного эффекта. В первом сценарии речь идет о создании системы из 50 физических кубитов, в которой принципиально возможно выполнять логические операции, но с ошибками. В таком случае подобная система не выглядит более продвинутой, чем уже созданные 51-кубитный симулятор Михаила Лукина или 53-кубитный симулятор Криса Монро. О решении релевантных задач материаловедения с использованием таких систем говорить не приходится: доступного ресурса не хватит, чтобы сравниться с классическими технологиями моделирования. Стоит отметить, что, несмотря на отдаленность от практических результатов, реализация такой системы является интересной с научной точки зрения.
Крайне полезно, но практически невозможно. Если же предположить второй сценарий и речь идет о создании квантового компьютера на 50 логических кубит, то достигнуть этого за три года будет крайне тяжело. Такое устройство, безусловно, рано или поздно будет создано, но столь амбициозные задачи в крайне короткий временной промежуток сегодня не ставят перед собой даже мировые лидеры квантовой гонки.
Свежая кровь
Можно ли достигнуть прорыва без привлечения международной экспертизы и специалистов из числа мировых лидеров на сторону России в квантовой гонке? Кто сможет дать адекватную и независимую оценку проекта, если его развитие пойдет «не по сценарию»? Сейчас в области квантовых вычислений носителями экспертизы являются ученые. Большинство мировых научных центров используют практику международных научных консультативных советов, которые помогают объективно оценивать результаты продвижений по проекту. В этом случае России повезло: в квантовой физике существует сильная и развитая русскоговорящая диаспора. Какова ее роль в проекте?
Безусловно, к проекту есть много вопросов. С учетом специфики области и неоспоримой сложности поставленных задач в этом нет ничего удивительного. При этом необходимость продвижения отечественных проектов в области квантовых вычислений не вызывает сомнений.
Тем не менее мы видим, что за последнее время появилось много новых организационных форм развития науки. Лидеры квантовой гонки, например, Google и Microsoft, создают не просто собственные научные центры, но и строят их на основе мобильной и открытой парадигмы, позволяющей консолидировать усилия. Такой опыт развития квантовых технологий может помочь и в России.
редакция рекомендует
www.forbes.ru
В Москве представили мощнейшие в мире квантовые компьютеры
Это казалось фантастикой еще вчера — квантовые компьютеры, способные обогнать все существующие устройства. Они настолько мощные, что могут или открыть человечеству новые горизонты, или обрушить все системы безопасности, потому что смогут взломать их.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомный бомбы», — считает генеральный директор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
В разработку вкладываются крупнейшие корпорации: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Но сегодня в центре внимания — Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра. Его команде удалось создать самый мощный на данный момент квантовый компьютер.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы. Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справится с вычислениями. Делаем маленькие открытия уже, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, мы даже до конца их не понимаем», — рассказывает профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин.
Все — из-за мощности таких устройств. Расчеты, которые на сегодняшнем суперкомпьютере займут тысячи лет, квантовый может сделать в один миг.
Как это работает? В обычных компьютерах информация и вычисления — это биты. Каждый бит — либо ноль, либо единица. Но квантовые компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным компьютерам нужно, грубо говоря, выстроить последовательности, то квантовые вычисления происходят параллельно, в одно мгновение. В компьютере Михаила Лукина таких кубитов — 51.
«Во-первых, он сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это больше чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что Google все время говорил, что сделает 49», — объясняет гендиректор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.
Создание самого мощного квантового компьютера пророчили ему. Джон Мартинес — руководитель крупнейшей в мире квантовой лаборатории корпорации Google. И свой 49-кубитный компьютер он планировал закончить только через несколько месяцев.
«22 кубита — это максимум, что мы смогли сделать, мы использовали все свое волшебство и профессионализм», — рассказывает он.
Мартинес и Лукин выступили на одной сцене — в Москве, на Четвертой международной квантовой конференции. Впрочем, соперниками ученые себя не считают.
«Неправильно думать об этом, как о гонке. 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», — говорит глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google Джон Мартинес.
Но для чего нам понадобятся квантовые компьютеры? Даже сами их создатели не знают наверняка. С их помощью могут быть разработаны совершенно новые материалы, сотни открытий в физике и химии. Квантовые компьютеры — пожалуй, единственное, что может приоткрыть тайну человеческого мозга и искусственного интеллекта.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры», — говорит директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
Один из первых компьютеров был создан в 40-х годах ХХ века и весил 27 тонн. Если сравнить с современными устройствами, то обычный смартфон по мощности — это как 20 000 таких машин. И это за 70 лет прогресса. Но если наступит эра квантовых компьютеров, уже наши потомки будут удивляться, как вообще пользоваться этим антиквариатом.
fishki.net
