Новости высоких технологий. Как работает квантовый компьютер
Самый мощный в мире квантовый компьютер на самом деле не квантовый
В июле 2016 года компания Lockheed Martin увеличила производительность своего Центра квантовых вычислений (находится в Институте научной информации, США) за счет 1098 кубитов. Компания, занимающаяся разработкой систем безопасности и аэрокосмическими технологиями, вот уже в течение шести с половиной лет интересуется сферой квантовых вычислений. Оно и неудивительно. В ближайшие 20 лет эта технология обещает оказать серьезное влияние практически на все, что только можно, начиная от проектов академических исследований и заканчивая виртуальной кибербезопасностью.
Квантовый скачок
Lockheed Martin доказывает, что преимущества квантовых вычислений можно получить уже сейчас, даже несмотря на то, что настоящих полноценных функционирующих квантовых компьютеров еще не создано.
Первой квантовой системой, которую Lockheed Martin купила у компании D-Wave Systems, был компьютер «Rainier», работающий на базе 128 кубитов и известный также под названием D-Wave One. Позже систему заменили на компьютер «Vesuvius» с 512 кубитами на борту, который, в свою очередь, совсем недавно был заменен еще более продвинутой системой D-Wave 2X с поддержкой уже 1152 кубитов.
«Это коммерчески доступный компьютер. Вы правда можете купить себе такой, если хотите. Но на самом деле это больше экспериментальная система, предназначенная для научных разработок и исследований», — говорит Грег Таллант, глава Центра квантовых вычислений компании Lockheed Martin.
«Она не является системой, готовой для массового рынка, но если хотите, то вы можете купить ее и использовать почти так же, как вы используете обычные компьютеры».
Чуть позже вы поймете, почему слово «почти» здесь имеет решающее значение.
Перед собственно самой покупкой представители Lockheed Martin несколько раз посещали главный офис компании D-Wave в Ванкувере. Система, по мнению специалистов, показала себя «многообещающей», и поэтому было решено приобрести один компьютер. Следующим шагом было подписание соглашения о сотрудничестве с Университетом Южной Калифорнии. Одним из результатов сотрудничества стало строительство Центра квантовых вычислений.
Подписанное соглашение позволяет Университету Южной Калифорнии использовать систему для своих исследований и проводить тесты компьютера. Lockheed Martin, в свою очередь, может использовать эту информацию для исследования вопроса перспективного использования технологий квантовых вычислений в различных сферах.
Основной сферой применения подобной квантовой системы изначально рассматривалась проверка и подтверждение работоспособности других готовых программных продуктов. Однако диапазон интересующих направлений решено было увеличить. Важнейшей новой сферой в списке интересов, пожалуй, является машинное обучение, однако систему также рассматривают в качестве мощного инструмента для планирования и прогнозирования.
«С увеличением числа необходимых для решения задач, связанных с отдельно взятой гипотетической растущей проблемой, увеличивается и число возможностей, которые следует рассмотреть для решения этой проблемы», — объясняет Таллант.
«Пример такой задачи можно рассмотреть на классической «задаче коммивояжера» в направлении комбинаторной оптимизации».
Задача коммивояжера заключается в отыскивании самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Эту задачу можно решить и с помощью нынешних компьютеров, однако квантовые аппаратные средства потенциально способны многократно повысить скорость вычислений, особенно в случае если число этих городов в задаче будет постоянно увеличиваться.
Компьютер D-Wave
Талланту и его команде пока не довелось продемонстрировать преимущества их системы D-Wave над классическими компьютерами при решении этой задачи, однако шаг вперед уже сделан. Как сделана и ставка на будущие технологические свершения с помощью самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера с 1152 кубитами на борту, который компания приобрела в июле этого года.
Самый мощный?
«Здесь есть некоторая особенность», — говорит Таллант.
«Нынешний чип, использующийся в системе, обладает 1152 кубитами. Однако когда вы собираете подобные системы, то необходимо провести калибровочный процесс. В рамках этого процесса некоторые кубиты могут не пройти проверку и, следовательно, в дальнейшем не могут использоваться в вычислительных процессах».
Другими словами, купили вы, скажем, смартфон на 32 гигабайта внутренней памяти. Запускаете его впервые и обнаруживаете, что на самом деле все обещанные вам 32 гигабайта памяти вам недоступны. Они, конечно же, в устройстве имеются, но то, что находится под крышкой, и тот объем памяти, который вам доступен по факту, — это несколько разные вещи.
«Наш 1152-кубитный процессор после прохождения калибровки имеет 1098 доступных кубитов», — говорит Таллант.
«Важность числа доступных кубитов всецело связана со сложностью подзадач, которые требуется решить для поиска ответа на основной вопрос. Например, если у вас имеется всего 512 кубитов, то и сложность проблемы, с которой система сможет справиться, наиболее эффективно ограничена числом этих кубитов. В данном конкретном случае речь идет о задаче, которая может иметь 512 переменных. На практике же это число будет на порядок ниже, около 200 переменных».
В мае этого года компания IBM гордо объявила о том, что собирается открыть академикам и энтузиастам доступ к своему квантовому 5-кубитному компьютеру через веб-платформу IBM Experience. К чему фанфары IBM, в то время как D-Wave, казалось бы, уже продает квантовые компьютеры с количеством кубитов, превышающим число кубитов в системе IBM? Ответ прост: квантовый компьютер Lockheed Martin (точнее D-Wave Systems) — не совсем квантовый.
Квантовый квантовому рознь
Сердцами систем IBM и Lockheed Martin действительно являются сверхпроводящие кубиты, многообещающие элементарные носители квантовой информации, на базе которых исследователи надеются однажды создать настоящий универсальный квантовый компьютер. Слово «однажды» здесь ключевое, так как такой компьютер пока не создан.
Систему IBM нельзя рассматривать как «универсальный» квантовый компьютер, потому что машина не способна выполнять те задачи, с которыми справляются классические компьютеры. Именно особенность выполнять все задачи и будет характеризовать универсальный квантовый компьютер.
Система D-Wave, использующаяся компанией Lockheed Martin, тоже не подпадает под это определение. По сути, это скорее установка квантового отжига (нормализации), а не полноценный квантовый компьютер. Система способна справляться лишь с ограниченным числом задач.
Процессор D-Wave
«Система D-Wave — это не компьютер общего назначения. Он способен решать определенные задачи на базе алгоритмов модели Изинга», — говорит Таллант, описывая этот компьютер как «систему для оптимизированных решений» таких проблем, как, например, расчет наиболее эффективного использования ресурсов (времени и топлива, например) при наличии различных сценариев проблемы.
«В этом ключе можно говорить лишь о квантовом отжиге. Мы вносим в машину задачи, ответы на которые нам известны. После этого загружаем в нее задачи, ответы на которые нужно будет найти. После чего мы попробуем совместить информацию обеих задач. В конечном итоге на основе решений-кандидатов мы сможем получить ответ на нашу задачу».
«В некотором смысле этот способ позволяет применять известный вам метод решения задачи, даже если истинный метод решения этой задачи вам изначально неизвестен. Другими словами, вы получаете ответ на задачу, даже если не знаете, как ее решить».
Работает — и ладно
На данный момент, по сравнению с другими аналогичными системами, D-Wave может похвастаться наличием самого большого числа доступных для работы кубитов. Тем не менее радоваться пока рано, потому что перед нами не полноценная универсальная квантовая система, о которой так долго мечтают не только люди, которые занимаются созданием квантовых компьютеров, но и ученые, которые очень хотят на таких компьютерах поработать.
«Это определенно не универсальный квантовый компьютер. Это нормализатор», — говорит Таллант.
«Компьютер D-Wave не универсален. Пока современная наука пока не позволяет создать все необходимые компоненты для постройки универсальной квантовой системы. Мы и сами были бы рады получить ее в свое распоряжение».
hi-news.ru
Шесть примеров, когда квантовые компьютеры нам очень помогут
Компьютеры не существуют в вакууме. Они решают проблемы, и проблемы, которые они решают, определяются исключительно аппаратным обеспечением. Графические процессоры обрабатывают изображения; процессоры искусственного интеллекта обеспечивают работу алгоритмов ИИ; квантовые компьютеры предназначены для… чего?
В то время как сила квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существующее программное обеспечение просто так работает в миллиард раз быстрее. Скорее квантовые компьютеры тоже имеют определенного типа проблемы, некоторые из которых они хорошо решают, некоторые нет. Ниже вы найдете основные сферы применения, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все сто, когда станут коммерчески реализуемыми.
Искусственный интеллект
Основное применение квантовым вычислениям — это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится все точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определенного типа.
Эта обратная связь зависит от расчета вероятности для множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода операций. Искусственный интеллект, подкрепленный квантовыми компьютерами, перевернет каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для двадцать первого века тем, чем электричество стало для двадцатого.
Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для испытаний программного обеспечения для автопилота, которое слишком сложное для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков. Мы уже достигли точки, за которой ИИ создает больше ИИ, и его сила и величина будет только расти.
Молекулярное моделирование
Другой пример — это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы.
Химические реакции квантовые по своей природе, поскольку образуют весьма запутанные квантовые состояния суперпозиции. Но полностью разработанные квантовые компьютеры смогут без проблем рассчитывать даже такие сложные процессы.
Google уже совершает набеги в эту область, моделируя энергию водородных молекул. В результате получаются более эффективные продукты, от солнечных батарей до фармацевтических препаратов, и особенно удобрения; поскольку на удобрения приходится до 2% глобального потребления энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут колоссальными.
Криптография
Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, который продлится от четырех до шести лет.
В разработке находятся также перспективные методы квантового шифрования, которые задействуют односторонний характер квантовой запутанности. Сети в пределах города уже продемонстрировали свою работоспособность в нескольких странах, и китайские ученые недавно объяснили, что успешно передали запутанные фотоны из орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле.
Финансовое моделирование
Современные рынки являются одними из самых сложных систем в принципе. Хотя мы разработали много научных и математических инструментов для работы с ними, им по-прежнему недостает условия, которым могут похвастать другие научные дисциплины: нет контролируемых условий, в которых можно было бы провести эксперименты.
Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Непосредственным их преимуществом является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, конгруэнтна стохастическому характеру финансовых рынков. Инвесторы зачастую хотят оценивать распределение результатов при очень большом количестве сценариев, генерируемых случайным образом.
Другое преимущество, которое предлагают квантовые компьютеры, состоит в том, что финансовые операции вроде арбитража иногда могут требовать множества последовательных шагов, и число возможностей их просчета сильно опережает допустимое для обычного цифрового компьютера.
Прогнозирование погоды
Главный экономит NOAA Родни Вейер утверждает, что почти 30% от ВВП США (6 триллионов долларов) прямо или косвенно зависит от погодных условий, влияющих на производство продуктов питания, транспорт и розничную торговлю, среди прочего. Способность лучше предсказывать погоду будет иметь огромное преимущество для многих областей, не говоря уж о дополнительном времени, которое понадобится для восстановления от стихийных бедствий.
Хотя ученые давно ломают голову над процессами погодообразования, уравнения, стоящие за ними, включают множество переменных, сильно усложняя классическое моделирование. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для такого анализа займет столько времени, что погода успеет измениться». Поэтому Ллойд и его коллеги из MIT показали, что уравнения, управляющие погодой, имеют скрытую волновую природу, которую вполне удастся разрешить с применением квантового компьютера.
Хартмут Невен, директор по разработкам в Google отметил, что квантовые компьютеры могут также помочь в создании более совершенных климатических моделей, которые могли бы дать нам более глубокое представление о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы выстраиваем наши представления о будущем потеплении, и они помогают нам определять шаги, которые требуются для предотвращения стихийных бедствий.
Физика частиц
Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и ученые уже положили на них глаз.
Ученые Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для подобных манипуляций с моделями. Для этого они взяли простую версию квантового компьютера, в котором ионы производят логические операции, базовые шаги в любом компьютерном расчете. Моделирование показало прекрасное соглашение с реальными, описанными физикой, экспериментами.
«Два этих подхода идеально дополняют друг друга», говорит физик-теоретик Питер Цоллер. «Мы не можем заменить эксперименты, которые проводятся на ускорителях частиц. Но развивая квантовые симуляторы, мы можем однажды лучше понять эти эксперименты».
Теперь инвесторы стараются внедриться в экосистему квантовых вычислений, и не только в компьютерной индустрии: банки, аэрокосмические компании, кибербезопасность — все они выходят на гребень вычислительной революции.
В то время как квантовые вычисления уже оказывают влияние на поля выше, этот список не является исчерпывающем ни в коем случае, и это самое интересное. Как бывает со всеми новыми технологиями, в будущем будут появляться совершенно немыслимые приложения, в такт с развитием аппаратных средств.
hi-news.ru
Квантовый компьютер – техника будущего
Квантовый компьютер – это что-то нереальное и далекое, словно гость из будущего. Время от времени появляются заметки об ученых и их скромных достижениях в области квантовой физики, но вот праздновать победу пока рановато, потому что в этой научной отрасли еще много белых пятен. Возможно, уже через пару десятилетий квантовые компьютеры полностью заменят привычные для нас обыкновенные компьютеры, обогнав их по умственному развитию и оставив далеко позади, но сегодня на это остается лишь надеяться.
Ученым уже удалось разработать квантовые часы, превышающие точность текущего эталона измерения времени в 100 000 раз, поэтому очень может быть, что в скором времени будет совершен прорыв в области компьютерных технологий. Сегодня существует огромное количество разработок по созданию квантовых компьютеров. Не так давно четыре группы ученых из Италии, Великобритании, Австрии и Австралии независимо друг от друга создали самую простейшую модель квантового компьютера, настроенную на ограниченные квантовые вычисления.
Квантовый компьютер способен решить проблему всей современной компьютерной техники. Сейчас можно кодировать лишь одно из значений – ноль или единицу, а вот фотон в одно и то же время сможет нести оба значения при вертикальной и горизонтальной поляризации. Новейшие системы смогут все вычисления проводить одновременно, а не поочередно, как это делают обычные компьютеры.
Современный квантовый компьютер, а точнее его примитивная модель, выглядит как сеть оптоволоконных путей на микрочипе с несколькими входами и выходами. В лабиринт запускаются отдельные фотоны, на каждом перекрестке они проходят через систему зеркал светоделителей. На этом этапе фотоны либо отражаются, либо проходят дальше. Получается, что пока фотон дойдет до выхода из лабиринта он три раза столкнется со светоделителем.
Квантовая природа сама по себе очень сложна, поэтому практически нереально сделать правильный расчет, показывающий, откуда точно появится фотон. Это непросто сделать даже при условии, что в лабиринт запущен всего лишь один фотон. А если задачу усложнить и запустить несколько частиц, а в лабиринте увеличить количество путей, то сделать прогноз будет очень сложно. Изобретенная учеными модель – это не что иное, как перманент матрицы, воплощение математической функции.
На современном компьютере можно смоделировать решение задачи, но лишь при условии, что по лабиринту путешествует несколько частиц, а сам он небольшой. Если условия усложнить, например, увеличить количество фотонов или путей в лабиринте, то расчеты не сможет произвести даже самая мощная на сегодняшний день техника.
Квантовый компьютер, созданный учеными, может только рассчитывать перманент матрицы, для более сложных и разнообразных задач он не подходит. Но это ведь только первый шаг на пути к изобретению техники будущего. Задача исследователей заключалась в демонстрации возможности использования фотонных устройств, которые могут справляться с поставленным заданием. Исследование было проведено блестяще, поэтому очень даже возможно, что в скором будущем появятся новые устройства, созданные на основе данной технологии, и они полностью заменят современные компьютеры.
fb.ru
