Квантовый компьютер Google работает. Компьютер как квантовый работает
Квантовая азбука: «Компьютер»
Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо — иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. В прошлый раз мы говорили о квантовой телепортации, сегодня разберемся с тем, что такое квантовый компьютер.
Поводом для этой темы стала новость о том, что физикам из MIT удалось впервые реализовать квантовый алгоритм Шора в масштабируемой системе. На наши вопросы о том, что это значит, отвечал сотрудник РКЦ, заведующий лабораторией сверхпроводящих материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и профессор Технологического института Карлсруэ Алексей Устинов.
Что такое квантовые вычисления и чем они отличаются от классических?
Отличаются представлением данных, в первую очередь, и методом обработки этих данных. Обычные вычисления работают с привычные нам «0» и «1», которые можно представить в виде двух сторон одной монеты, либо «орел», либо «решка». Квантовые вычисления работают с данными, которые представляются в виде многих состояний, даже бесконечного количества состояний. И вместо «орла» и «решки» можно представить себе шарик, который можно поворачивать разными сторонами, причем вокруг разных осей. Так как состояний у такого шарика бесконечное количество, данные совершенно по-другому выглядят. Необычность еще и в том, что если мы захотим измерить хранящееся в шарике состояние, то увидим лишь одно из значений. Например, что он повернут в какую-то одну сторону: на север или на юг. Но если мы проведем измерения многократно, что увидим определенное статистическое распределение между этими полюсами. Звучит сложно, но суть в том, что в квантовом компьютере сами данные представлены совсем в ином виде и это поэтому и операции с этими данными выглядят совершенно по-другому.
В квантовых алгоритмах используется обычная логика, которой пользуются люди со времен Аристотеля или какая-то своя, квантовая?
Логика Аристотеля — это область философии. А под компьютерной логикой имеются в виду довольно конкретные и специализированные правила обработки информации. Когда информация представлена в двоичном виде с ней работают одним образом, но в квантовых компьютерах информация не двоична, поэтому и вычислительная логика там иная.
Какие-то похожие на классическую вычислительную логику операции есть и в квантовой: например, операция «отрицание» переводит систему из одного состояния в другое. Есть операции, которые по названию схожи с классическими, но работают по-другому, так как оперируют совершенно другими данными. Например, есть типичные операции, связанные с изменением состояния двух кубитов, так называемые двух-кубитные гейты. Используются и операции, которых нет в классическом компьютере — «условное отрицание», когда состояние одного кубита меняется в зависимости от состояния другого.
Квантовый компьютер всегда быстрее обычного? Для каких задач квантовый компьютер непригоден и проще использовать обычный?
Например, для наибольшего числа привычных нам задач: сложение, умножение, деление. Это довольно простые задачи, которые быстро и эффективно решаются на обычном компьютере и нет необходимости что-либо усложнять. Сделать то же самое на квантовом компьютере можно, но не нужно. Все существующие сейчас реализации квантового компьютера имеют тактовую частоту намного меньше, чем обычные компьютеры. Будет ли когда-то в будущем реализовано что-то квантовое, что сравнимо по частоте – вопрос трудно прогнозируемый, тут можно только гадать.
Но есть задачи, которые сейчас решаются неэффективно, просто путем перебора и обычный компьютер ничего не может с ними сделать кроме как перебирать и перебирать. Тут приходит на помощь квантовый компьютер и оказываются возможными решения, которые гораздо более эффективны, чем прямой перебор.
Как работает алгоритм Шора?
Алгоритм Шора это квантовый алгоритм разложения числа на простые множители, то есть факторизации. Дальше нужно вдаваться в довольно тонкие подробности, но если совсем грубо, то алгоритм Шора основан на квантовом преобразовании Фурье, которое используют многие алгоритмы, работающие более эффективно именно на квантовом компьютере. Алгоритм Шора устроен по-другому, работает не прямым перебором, а перебором, используя много состояний. И при этом количество попыток оказывается меньше, чем на классическом компьютере. Важно, что если на классическом компьютере количество попыток при разложении числа экпоненциально зависит самого числа, то при использовании алгоритма Шора время, которое нужно для вычислений, зависит от числа по степенному, а не по экспоненциальному закону. А степенная зависимость растет, как вы знаете, гораздо медленнее экспоненциальной.
Computer Laboratory, University of Cambridge
Алгоритм Шора в квантовых системах уже реализовывали, но в этот раз его речь идет о том, что это сдалано в масштабируемой системе. Почему это важно?
Масштабирование означает в данном случае то, что хотя алгоритм был продемонстрирован на простом устройстве, в принципе его можно «безболезненно» усложнить добавлением новых кубитов. Объясню, почему это важно. Любимая задача, которую до сих пор решали экспериментаторы заключалась в том, чтобы разложить на множители совсем небольшое число, например число 15. Именно оно было очень популярно во многих экспериментах с квантовыми системами. Раскладывалось оно, понятное дело, на 5×3=15. Были эксперименты и с числом 21. Однако, чтобы двигаться дальше, необходимо сделать масштабирование системы, т.е. сделать устройство, в котором можно будет разумными усилиями делать разложение больших чисел, а для этого необходимо использовать много кубитов. Сложность в том, что все они должны работать вместе, а заставить их это делать непросто. Это с одной стороны. С другой стороны, должны быть очень эффективные устройства контроля и управления, которые будут работать независимо от сложности системы. Все это вызывает массу физических и инженерных проблем, которые надо решать.
Как разложение на простые множители связано с кодированием? Уничтожат ли квантовые компьютеры шифрование?
Современный алгоритм шифрования RSA основан на том, что разложить большое число на простые множители, если сами эти числа не известны, очень трудно. Делать это приходится методом перебора. Но если будет создан масштабированный алгоритм Шора, который позволит эту задачу решать, т.е. разлагать очень большое число на простые множители, то такой метод шифрования можно будет взламывать очень быстро. А речь идет о, фактически, самом главном криптографическом протоколе из тех, что существуют в наше время.
Впрочем, криптографы считают, что альтернатив у RSA уже сейчас довольно много. Так что если будет взломан обычный RSA код, то его просто заменит другой протокол шифрования. Он, вероятно, будет более громоздким и потребует больших инвестиций для перевода оборудования на новый стандарт. Но конец эры RSA не будет означать, что информация вдруг станет некодируемой и криптография полностью потеряет весь свой смысл.
Есть ли еще квантовые алгоритмы, которые уже реализованы в устройствах?
Наиболее популярны три алгоритма: алгоритм Шора, алгоритм Дойча и алгоритм Гровера. Все это алгоритмы решения задачи перебора и все они продемонстрированы на малом количестве кубитов.
Алгоритм Дойча (Дойча — Йожи) основан на переборе, но позволяет делать его быстрее обычного. Представьте, что на столе лежит монета и необходимо узнать фальшивая ли она или нет. Для этого нужно дважды посмотреть на монету и определить: «орел» и «решка» – настоящая, два «орла», две «решки» — фальшивая. Так вот, если использовать квантовый алгоритм Дойча, то это определение можно сделать одним взглядом – измерением. Но пока все, что в этом направлении делалось, делалось на таком маленьком количестве кубитов, что говорить о какой-то эффективности и ценности еще рано.
Что же касается алгоритма Гровера, то это реализация поиска по базе данных. Все три алгоритма ~вещи связанные, просто имеют разные названия по именам людей, впервые их предложившим.
Что вообще можно посчитать в ближайшее время с помощью квантовых компьютеров?
Пока речь шла об универсальном квантовом компьютере, который работает при помощи квантовых логических операций. Но есть и совершенно другое, параллельно развивающееся направление так называемых квантовых симуляторов — это устройства, которые почти «в живую» моделируют квантовые системы.
Суть в том, что квантовые симуляторы сами по себе являются квантовыми объектами. Поэтому если необходимо промоделировать какую-либо задачу, связанную с физикой или квантовой химией, но трудно реализуемую на обычном компьютере, то можно просто составить из кубитов модель нужной молекулы и ее поведение просчитать. И уже показано, что такой подход работает. Например, таким образом были получены расчеты спектра энергии молекулы водорода и нескольких других простых соединений. Мы просто соединяем кубиты вместе и за счет их взаимодействия, не вдаваясь в детали вычислений, получаем результат.
Задачи, которые до сих пор решались в этой области, пока и не имели практической ценности, но помогли проверить, действительно ли квантовый компьютер будет работать здесь более эффективно. И сейчас появляются более практические задачи, связанные, к примеру, с построением новых материалов или моделированием фотосинтеза. Microsoft например, сейчас инвестирует немалые деньги в создание искусственного фотосинтеза с использованием квантовых симуляторов.
Подготовили Андрей Коняев и Александр Ершов
nplus1.ru
Квантовый компьютер Google работает / Хабр
Поисковик считает, что машина D-Wave подтвердила свои принципы работы
Квантовые компьютеры — это вычислительные машины, которые работают на основе квантовых эффектов. Использование необычных свойств квантовой суперпозиции и квантовой запутанности может дать значительный скачок производительности. Она может вырасти на несколько порядков. Этот рост может обеспечить новые возможности во многих областях работы со знаниями: системы искусственного интеллекта, симуляция различных процессов и прогнозирование.Поэтому многие государственные исследовательские лаборатории и ИТ-гиганты проявляют к этой сфере пристальный интерес. К примеру, IBM и Microsoft работают над квантовыми вычислениями. Google тоже не отстаёт. В 2013 году поисковик купил квантовую машину у компании D-Wave. Этот канадский стартап представляет свой продукт как первый в мире коммерчески доступный квантовый компьютер. Проблема заключается в том, что учёные не были уверены, что чипы D-Wave действительно используют квантовые эффекты для выполнения вычислений. 8 декабря компания Google заявила, что подтверждение этому появилось. В 2013 году Google купила квантовую машину у D-Wave. Компьютер поставили в Иcследовательском центре Эймса НАСА в Маунтин-Вью, штат Калифорния. Эти два года исследователи изучали механизмы работы метода квантового отжига и возможности их применения. Работа устройств D-Wave вызывала споры среди специалистов по квантовой физике: они не могли единогласно заключить, что устройства действительно работают так, как заявляется, и что они могут достичь обещаемую скорость вычислений.
К примеру, среди скептиков находится Маттиас Тройер. Физик из Швейцарской высшей школы Цюриха ставит под сомнение быстроту работы подобных машин. После исследования ранних чипов D-Wave его группа пришла к выводу, что микросхемы не предоставляют особых преимуществ над традиционными вычислительными машинами.
Теперь Google заявляет, что у них есть доказательства. Было проведено сравнение производительности машины D-Wave и обычного компьютера с одним процессором. Была создана специальная задача, призванная доказать значительное превосходство по вычислительным способностям. Квантовый компьютер справился с ней в 100 миллионов раз быстрее обычного.
График показывает сравнение производительности обычного компьютера, работавшего по квантовому методу Монте-Карло (QMC) и имитации отжига (SA), с квантовой машиной D-Wave. Справа при приближении к 1000 бинарным переменным преимущество доходит до 108.
Однако даже сам глава квантовой лаборатории Хартмут Невен признаёт, что эту задачу можно было бы оптимизировать таким образом, что выиграл бы обычный компьютер или хотя бы оказался на том же уровне. Квантовая машина работала по принципу квантового отжига, а обычный компьютер использовал имитацию отжига. Можно было бы использовать то, что сам Невен называет багом в конструкции машины D-Wave. В Google говорят, что показанный тест всё равно важен, поскольку в будущем у обычных компьютеров не будет преимущества. Оно исчезнет уже в следующем поколении квантовых машин.
На Arxiv.org компанией Google была опубликована научная работа по результатам этого исследования. Но пока на неё не было написано рецензий. Далее последуют публикации в научных журналах. В будущем исследователи хотят улучшить некоторые характеристики квантовых компьютеров. К примеру, нужно увеличить плотность и точность соединений между кубитами, а также их связность. Кубиты научат взаимодействовать не только попарно, но и более крупными группами.
Схематичное изображение соединений между кубитами в чипах семейства D-Wave 2.
Разработка квантовых компьютеров потенциально может сделать продукты Google лучше: есть задачи, которые непрактично решать обычными ЭВМ. Но это лишь отдалённые перспективы. На разработку и внедрение подобных решений уйдут годы. На данный момент машины D-Wave крайне дороги, требуют крупные объёмы жидкого азота для охлаждения и не универсальны. Они могут решать лишь очень специфический набор задач. Какие это задачи, ещё выясняется.
arXiv:1512.02206 [quant-ph]
habr.com
Квантовый компьютер как следующий шаг в развитии ИТ / Песочница / Хабр
Огромное количество окружающих нас сегодня устройств создано и функционирует на основе законов квантовой механики. Законы квантовой механики кардинально отличаются от законов классической механики, так как квантовая механика рассматривает объекты и явления не макро-, а микромира. Порождением квантового мира является и квантовый компьютер. Несмотря на то, что мощности и быстродействие современных компьютеров постоянно возрастают, с их помощью можно решить не все вычислительные задачи. Считается, что квантовые компьютеры могли бы помочь преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических ЭВМ.
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики и потому кардинально отличающееся от компьютеров, которые работают на основе классической механики. На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. Создание квантового компьютера в виде реального физического прибора является одной из основных задач физики XXI века.
Основным понятием квантовой механики и основным принципом, который использует данная технология, является принцип суперпозиции. Заключается он в следующем: для объектов квантовой механики (таких как элементарные частицы) возможно одновременное нахождение в двух взаимоисключающих состояниях. Например, аналогом бита, минимальной единицы информации в классических компьютерах (которая принимает значения «1» или «0»), в квантовых компьютерах является в квантовый бит – кубит – который может быть нулем и единицей одновременно.
В классических компьютерах упорядоченные последовательности битов объединены в регистры. Последовательности, в которые объединяются кубиты, также называются регистрами. И если в обычном регистре размером N битов храниться только одно значение, то в регистре размером N кубитов одновременно находятся все возможные 2^N значений. Другими словами, квантовый компьютер может работать, как с «1» и «0», так и с обоими состояниями сразу. Именно благодаря принципу суперпозиции квантовые компьютеры в состоянии одновременно выполнять миллионы вычислений.ё Также необходимо сказать об еще одном принципе микромира: частицы находятся в состоянии суперпозиции только до тех пор, пока над ними не произведено измерение. В квантовом компьютере каждая команда – это последовательность логических операций, реализуемая через воздействие на кубиты. Начальные условия при этом задаются установкой кубитов в нужные состояния. Получение же результатов осуществляется путем «считывания» состояния кубитов.
Квантовые вычисления на сегодняшний день считаются очень перспективным направлением, которое может коренным образом расширить возможности современных компьютеров. Потенциальные преимущества квантового компьютера объясняются своеобразием законов квантового мира. Использование этой технологии поможет находить решения задач, требующих чрезмерно длительных вычислений от классических компьютеров. К таким задачам относятся, например, криптография, системы искусственного интеллекта, оптимизация сложных систем, операции сравнения и др. Проблемы, для решения которых человечеству сейчас не хватает вычислительных мощностей (химический дизайн лекарств, взлом любых зашифрованных данных) в перспективе могут быть решены с помощью квантового компьютера. Подобные возможности данной технологии обусловлены тем, что квантовая система может находиться одновременно в разных состояниях. При этом получение ответа возможно только при измерении системы. Для получения с высокой степенью вероятности верного ответа и необходимо проведение множества измерений.
Однако, идея квантового компьютера до сих не была реализована из-за непреодолимых трудностей практического характера. Ученые давно исследуют квантовые биты, пытаясь найти способ управления ими. Одной из основных является проблема изоляции кубитов от окружающей среды: с одной стороны, для защиты содержащейся в кубите информации необходимо обеспечить изоляцию последнего от информационного шума, с другой – необходимо сохранить возможность замерять и изменять состояние кубита. Второй проблемой, связанной с созданием и использованием квантовых компьютеров, является проблема того, что обеспечение высокой точности измерений также сопряжено со значительными трудностями.
Сказать, что квантовый компьютер может соперничать с обычным, пока нельзя, ведь преимущества первого заметны, только если он состоит по меньшей мере из 1000 кубитов. Сегодня рекорд принадлежит компании D-Wave, которой удалось создать 128-кубитную машину “D-Wave One”. Специалисты корпорации D-Wave заявляют, их компьютер может применяться для решения задач, требующих большого количества ресурсов (как правило, вместе с классическими вычислениями) для специфических проблем. При этом ими признается высокая трудность программирования задач для данного компьютера. Однако, работы D-Wave были подвергнуты критическому разбору рядом специалистов (по их мнению, возможность практического применения D-Wave One сомнительна). Другая группа специалистов не уверена, что D-Wave One действительно можно считать квантовым компьютером, несмотря на продемонстрированные квантовые эффекты. Дело в том, что в этом компьютере свойства квантовой механики используются как некий вспомогательный фактор, наряду с обычными вычислениями. При использовании же «настоящего» квантового компьютера скорость вычислений должна увеличиться именно благодаря операциям с самими кубитами.
Таким образом, первый квантовый компьютер в виде реального физического прибора уже создан, но говорить о массовом производстве полноценных квантовых компьютеров будет, по меньшей мере, преждевременно.
Относительно того, когда же появится компьютер, который можно будет безоговорочно назвать квантовым, исследователи сходятся на сроках в 10-15 лет. Так, например, по прогнозам футурологов компании Cisco Systems, квантовый компьютер должен появиться к середине 2020 года; футурологи TechCast прогнозируют, что повсеместное распространение квантовых компьютеров начнется приблизительно с 2022 года. В то же время, в компании IBM заявляют, что располагают всем необходимым, для того чтобы создать квантовый компьютер в течение ближайших 10-15 лет.
Разработчикам квантовых компьютеров предстоит решить еще много теоретических и практических проблем. Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е годы. Также существует мнение, что мощный работающий квантовый компьютер никогда не будет создан. Но даже в этом случае исследования в этом направлении могут привести к ряду других открытий, а значит, должны и будут продолжаться.
Написано на основе материалов следующих сайтов: www.popmech.ru, www.membrana.ru, ru.wikipedia.org, www.securitylab.ru, www.tadviser.ru
habr.com
