Квантовый компьютер стал на две секунды ближе к реальности. Квантовый суперкомпьютер
Квантовый суперкомпьютер российских ученых обошел конкурента от Google — Нож
Коллектив ученых из России и США, работающий в Гарварде, создал первый в мире квантовый компьютер из 51 кубита. Об этом сообщил глава исследовательской группы, профессор Михаил Лукин в ходе своего выступления на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017 в Москве.
Этот компьютер на данный момент является сложнейшей вычислительной системой в мире, превзойдя своего 22-кубитного квантового предшественника, разрабатываемого корпорацией Google. В качестве кубитов — ячеек памяти и одновременно вычислительных модулей — команда Лукина использовала экзотические «холодные атомы», удерживаемые в лазерных клетках и относительно стабильные при сверхнизкой температуре.
В отличие от классических компьютерных моделей, принимающих только два вида состояния: «ноль» или «единица», кубиты могут оперировать и промежуточными значениями. Необходимость в таких вычислениях возникает при исследовании сложных многочастных систем — таких, например, как живые организмы.
Пространство квантовых состояний таких систем растет по экспоненте от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах. Наш соотечественник Юрий Манин впервые сформулировал идею квантовых вычислений в 1980 году. Год спустя американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман предложил первую модель построения квантового компьютера.
Благодаря огромной скорости таких вычислений, как алгоритм Шора — разложение числа на простые множители — квантовый компьютер позволит быстро расшифровывать данные, зашифрованные классическим алгоритмом криптографии RSA. До сих пор этот алгоритм считался сравнительно надёжным, так как не было эффективного способа разложения чисел на простые множители для классического компьютера. Например, чтобы получить доступ к обычной кредитке, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло бы в сотни раз больше времени, чем возраст Вселенной.
Создатели нового квантового суперкомпьютера уже смогли успешно смоделировать прежде неосуществимую задачу о поведении большого облака связанных частиц, обнаружив устойчивость некоторых типов колебаний к затуханиям. Следующей их задачей станет именно проверка алгоритма Шора — в случае успеха, эру квантовой криптографии нового поколения можно будет считать открытой.
knife.media
Что такое квантовый суперкомпьютер за $15 млн
Квантовые вычисления — одно из самых сложных направлений современной информационной индустрии, которое может однажды принципиально поменять возможности вычислительных машин и то, как мы воспринимаем понятие «компьютер». Пока что это лишь футуристические слова, однако человечество понемногу подбирается к их реализации. На острие этих изменений находится канадская компания D-Wave, которая сегодня представила для коммерческой эксплуатации новый квантовый суперкомпьютер стоимостью $15 млн. Рассказываем, что это за устройство, почему оно стоит таких астрономических денег и вызывает много скептицизма.
Читай также: Когда мы заговорим с искусственным интеллектом
Первое, что нужно знать про D-Wave 2000Q — первый экземпляр этого устройства уже приобретен. Заказчиком выступила компания TDS (Temporal Defense Systems), которая специализируется на вопросах кибербезопаности. И очевидно, может раскошелиться на «системник» по цене частного самолета. Впрочем, сама компания-производитель сделала многое, чтобы выставить вложение выгодным для покупателя, заявив о приросте вычислительной мощности в тысячу раз по сравнению с предыдущей моделью. Еще более впечатляющим выглядит сравнение со стандартными серверными кластерами — их D-Wave обещает обогнать примерно в 1000-10 000 раз по производительности. Для тех, кто не имеет в кармане лишних $15 млн на покупку такого устройства компания намерена запустить специальный онлайн-сервис по подписке, с помощью которого можно будет арендовать мощности устройства для конкретных вычислений — схожие услуги предоставляет IBM со своей разработкой Watson. Правда, «голубой гигант» обошелся без применения квантов.
Но вернемся к 2000Q. Внутри корпуса высотой около 3 м. и объемом 20 куб. м. находится уникальный квантовый чип. Его площадь сопоставима с человеческим ногтем, однако там размешается 2000 кубитов. Большинство оставшегося пространства используется сложной системы охлаждения и экранирования от внешних воздействий. Она использует сжиженный гелий для поддержания температуры на уровне 15 милликельвинов, что приблизительно равно -273 градусов по Цельсию в рабочей зоне чипа. В свою очередь, это создает необходимые условия для сверхроповодимости кубитов, которые сформированы из 128 тысяч джозефсоновских контактов. Что за танцы вокруг этих кубитов? Давайте разберемся.
Фактически D-Wave создали не классический квантовый компьютер, а вычислитель, пригодный для отдельного спектра задач. В основе его центрального процессора лежит использование квантовых битов. Эти логические элементы используют особый трюк, одновременно находясь в двух суперпозициях, единицы и нуля. Когда происходит измерение, это уникальное состояние разрушается в пользу одного из вариантов, а сама операция задается этой вероятностью. При этом в регулярных вычислениях квантовые компьютеры не могут обогнать классические — но как только дело доходит до задач со множеством вариантов преимущества «кубитовых» систем становятся очевидны. Кроме того, квантовые компьютеры смогут использовать феномен запутанности элементарных частиц — взаимосвязи двух простейших физических объектов, природа которой до сих пор остается невыясненной. Однако все это нельзя в полной мере использовать для описания D-Wave. Напомним, что это не универсальный квантовый компьютер, а вычислитель, оптимизированный для очень специфической категории задач. Более того, его исключительная сравнительная производительность обусловлена тем, что применяемый для использования кубитов алгоритм максимально неудобен для классических компьютеров.
Лучший сценарий работы с D-Wave — это оптимизация, за достижение которой отвечает алгоритм квантового отжига. Он отлично решает задачи, которые оперируют огромным количеством вариантов. Однако не позволяет точно убедиться, что все части процессора находятся в квантовом состоянии. Возможно, оно действует лишь на отдельных его частях. В любом случае и это еще не главная проблема. Мало того что созданная D-Wave машина не может считаться полноценно квантовым компьютером, она в то же время наследует главные его недостатки. В частности, это высокий уровень ошибок. Их можно устранить при классических вычислениях, но когда действует квантовое состояние, воздействия внешней среды (она провоцирует изменение состояний кубитов) практически невозможно избежать.
Многие ученые предполагают, что если человечеству все же удастся создать полностью квантовый компьютер, 99% его мощности пойдет на проверку ошибок. Но даже оставшейся производительности будет достаточно для решения задач. Впрочем, насчет современной инкарнации такого устройства у них тоже есть мысли: D-Wave последовательно критикуют за то, что она просто использует слабости классических систем. Однако это не мешает ей продавать свои устройства: ранее среди покупателей числились NASA и Google. Собственно, поисковой гигант и владеет компанией. И кто знает, возможно в будущем она станет его билетом в эру кванта.
uip.me
Сколько ждать квантового превосходства?
В середине мая IBM открыла публичный доступ к новому квантовому компьютеру, оперирующему 16 кубитами. Кроме того, для своего коммерческого сервиса квантовых вычислений компания подготовила 17-кубитное устройство с очень низким уровнем ошибок. Ранее у теоретиков был доступ лишь к устройствам из пяти кубитов — новый вычислитель втрое поднимает эту планку.
Обычно квантовые компьютеры ассоциируются с огромным приростом в производительности и решением задач, непосильных даже для суперкомпьютеров. Одновременно с этим квантовые компьютеры — серьезная угроза алгоритмам шифрования. Наступило ли квантовое будущее и стоит ли срочно переходить на новые системы шифрования — одинаково сложные для обычных и для квантовых устройств, — на эти вопросы мы постараемся ответить в новом тексте.
Что такое квантовый компьютер?
Обычный компьютер — это универсальное вычислительное устройство, которое можно программировать, а затем выполнять с его помощью любые последовательности классических операций. Отталкиваясь от такого определения, квантовым компьютером стоило бы назвать такое же устройство, но с одним отличием: в его работе наблюдались бы явления квантовой физики. Однако это определение было бы не вполне верным. В любом современном компьютере и так протекают квантовые процессы — например, утечка тока из транзисторов в результате туннелирования. Эти процессы приходится учитывать при проектировании компьютеров, поэтому, в некотором смысле, даже то устройство, с которого вы читаете этот текст — тоже квантовый компьютер.
Поэтому квантовым называют те компьютеры, которые используют явления квантовой суперпозиции и запутанности непосредственно в своих алгоритмах. И это позволяет им решать совершенно новые классы задач.
В чем отличие квантовых вычислений от классических?
Как в основе классических вычислителей лежат операции с битами, так в случае с квантовыми компьютерами объектом операций становятся квантовые биты, или кубиты. При измерении бита мы всегда получим один и тот же результат — «ноль» или «единицу». Измерение одинаково приготовленных кубитов будет с некоторой вероятностью давать и «ноль», и «единицу» — до измерения кубит будет одновременно и «нулем» и «единицей». Как говорят физики — он будет в суперпозиции двух состояний.
Оказывается, такая необычная единица данных позволяет упростить решение многих вычислительных задач, в особенности — связанных с перебором. Зато такие задачи, как сложение двух натуральных чисел (например, 2+2), для квантового компьютера оказываются совсем не тривиальными.
Что представляют собой квантовые биты?
Физически кубиты бывают разных типов. Самые распространенные (их используют научные группы Google и IBM) — сверхпроводящие. Это кольца из сверхпроводника с небольшой изолирующей перемычкой, в которых ток течет одновременно и по, и против часовой стрелки. Иначе их называют джозефсоновскими контактами. Кроме того, существуют кубиты на базе отдельных атомов, захваченных лазерными лучами. Роль нуля и единицы в них играют состояния электронной оболочки атомов. На их основе уже были построены универсальные квантовые компьютеры. Разрабатываются кубиты и на основе наноразмерных кристаллов полупроводников — квантовых точек.
Какие задачи квантовый компьютер решает лучше классического?
Один из самых простых примеров — алгоритм Дойча. Предположим, у вас есть функция, которая может иметь значение ноль или единица, в зависимости от аргумента. Аргумент тоже может быть нулем или единицей. Всего существует четыре таких простых функции. Чтобы узнать, всегда ли эта функция выдает строго ноль или строго единицу, классическому алгоритму потребуется дважды ее вычислить. Для квантового алгоритма хватит одного вычисления.
Другой пример — алгоритм Шора для разложения натурального числа на простые множители. Классические алгоритмы могут сделать это только полным перебором, причем с ростом количества знаков в раскладываемом натуральном числе количество операций растет экспоненциально (условно, каждый знак увеличивает время расчета в 10 раз). Квантовому алгоритму требуется лишь полиномиальное время (полином от числа знаков в числе).
Есть еще несколько примеров, связанных с перебором, которые быстро решаются с помощью квантовых алгоритмов. Основной прирост производительности в таких задачах связан именно с существованием кубитов в суперпозиции состояний. Интересно, что в ряде случаев в алгоритм можно вводить суперпозицию порядка вычислений. То есть, например, одновременно проводить над числом умножение, а потом возведение в степень, и возведение в степень, а потом умножение. Такие операции позволяют выяснить за одно действие, есть ли разница между порядком выполнения двух операций (A, затем B, и B, затем A).
Кроме того, следуя природе квантового компьютера, с его помощью можно моделировать квантовые системы. Чтобы проанализировать поведение системы из 50 кубитов (здесь — частиц, которые могут быть в двух состояниях одновременно), потребуется по меньшей мере 250 бит оперативной памяти — не учитывая логические вентили в системе.
Как это связано с тем, с чем можно встретиться в реальной жизни?
Моделирование свойств химических веществ — в некотором смысле задача моделирования квантовых систем. Поэтому многие ученые надеются на то, что квантовые компьютеры упростят расчет свойств отдельных молекул (например, их спектров), а также поиск новых лекарств и материалов. Задачи оптимизации тоже часто связаны с перебором вариантов, например задача о коммивояжере. Постепенно появляются квантовые нейросети — с их помощью эксперты уже рассчитывали состояние молекулы водорода.
С квантовым компьютером связаны и некоторые опасения — ему по плечу оказываются многие задачи по расшифровке данных. К примеру, алгоритм шифрования RSA основан на том, что классический компьютер не может за разумное время разложить на простые множители число длиной несколько тысяч бит. Поэтому ключ дешифровки можно передавать в открытом виде. Если хакер хранит где-то набор открытых ключей и данных, зашифрованных с их помощью, то в будущем квантовый компьютер поможет ему расшифровать эти данные. Интересно, что из тех же соображений квантовый компьютер можно использовать для атаки на системы блокчейна, подобные биткоину.
Стоит отметить, что опасения, касающиеся алгоритма RSA, могут быть преждевременными. С ростом ключа будет расти и время вычисления для квантового компьютера — для ключа размером в терабит потребуется более 2100 операций квантового компьютера. Практичность использования ключей настолько большого размера — отдельный вопрос. Тем не менее, многие компании уже начали разрабатывать методы постквантовой криптографии, одинаково сложные для дешифровки и классическим, и квантовым компьютером. Например, в некоторых версиях Chrome такие алгоритмы уже используются.
То есть квантовый компьютер уже превзошел классический?
Сейчас квантовые компьютеры находятся лишь на первых стадиях своего развития — даже многократный прирост производительности из-за использования квантовых алгоритмов не позволяет им надежно превзойти обычные компьютеры. Тем не менее, уже есть серьезные заявки на квантовое превосходство от неуниверсальных квантовых вычислителей. Это устройства, которые способны решать строго определенную задачу. В конце 2015 года Google показала, что устройство для квантового отжига D-Wave в 100 миллионов раз быстрее решает задачу оптимизации, чем обычный компьютер. Однако речь шла о специально разработанной искусственной задаче, подходящей для конкретной цели. А недавно группа китайских физиков разработала бозонный семплер, который благодаря своей квантовой природе обошел ENIAC (первый компьютер человечества) в 220 раз.
Но универсальные квантовые компьютеры, которые можно сравнивать с классическими компьютерами, все еще используют слишком малое количество кубитов — до 17 штук. Такие системы все еще можно полностью моделировать даже обычным настольным компьютером.
Сколько надо кубитов, чтобы обойти современные суперкомпьютеры?
Дело не только в кубитах. Для надежной работы квантового компьютера требуется очень низкий уровень ошибок. Эти ошибки возникают из-за декогеренции (распада суперпозиции), или из-за взаимодействия кубитов друг с другом. При том происходит обмен битами, или фазовые сдвиги. Лишь сравнительно недавно ученые научились обнаруживать такие ошибки автоматически.
Без борьбы с ошибками увеличение количества кубитов практически не увеличивает производительности системы. Так, по оценкам физиков, новая 16-кубитная система IBM лишь на 40 процентов производительнее 5-кубитного компьютера-предшественника. Сверхпроводящие кубиты этого типа совершают около одной ошибки на 100 операций. По словам специалистов IBM, коммерческий 17-кубитный квантовый компьютер за счет сниженного уровня ошибок обладает в два раза большей производительностью.
По разным оценкам, для надежной демонстрации квантового превосходства с учетом неидеальности реальных систем потребуется порядка 50 кубитов. Наращивать число кубитов очень сложно из-за процессов декогеренции.
Тем не менее, физики полагают, что эту границу скоро удастся пересечь. Так, лаборатория компании Google под руководством Джона Мартиниса планирует запустить 20-кубитный универсальный компьютер в течение ближайшего месяца. А в наиболее амбициозные планы Google входит запуск 50-кубитного универсального квантового компьютера уже к концу 2017 года.
Владимир Королёв
nplus1.ru
Перспективы 50-кубитных квантовых компьютеров
Перспективы 50-кубитных квантовых компьютеров уже сегодня вызывают огромный интерес в мире, поскольку связаны с освоением совершенно новых методов обработки информации.
Первый реально работающий 50-кубитный квантовый компьютер, представленный IBM в конце прошлого года, открыл новую страницу в развитии вычислительной техники. Пока что это событие больше относится к экспериментальным, однако реальные вычисления с помощью 50-кубитного процессора уже проводятся.
Больше того, IBM предполагает в недалеком будущем предоставить доступ к возможностям нового квантового суперкомпьютера в рамках проекта IBM Q. Этот проект подразумевает организацию облачных вычислений, то есть доступ к компьютеру происходит посредством облака IBM Cloud.
Такая система позволит пользоваться мощностями квантового компьютера одновременно многими людьми, что не только повысит его эффективность, но откроет новые возможности для молодых исследователей, ученых, старших школьников.
Что такое кубитный квантовый компьютер
Квантовые компьютеры используют для проведения вычислений совершенно другую элементную базу. В качестве элементов для таких процессоров используются атомы, электроны или фотоны. А в качестве единицы информации – не биты, имеющие всего два состояния, 0 и 1, а кубиты, способные иметь много состояний одновременно.
В качестве элементной базы 50-кубитного компьютера IBM использовались холодные атомы рубидия, захваченные в ловушку оптическими пинцетами из сфокусированных лазерных лучей. Вся система охлаждается до температур, близких к абсолютному нулю.
Кубитом в данном случае является атом рубидия, который в невозбужденном, равновесном состоянии представляет из себя 0. Но при переходе в возбужденное состояние, под действием лазерного луча, может принимать одновременно множество значений, так как внешний электрон может переходить на разные орбитали.
При этом электроны каждого атома могут взаимодействовать с электронами соседних атомов, увеличивая сложность и многообразие состояний. Это многообразие и используется для проведения вычислений квантового компьютера.
Понятно, что управление кубитами требует не только очень сложной архитектуры квантового компьютера, но и совершенно иной логики вычислений, отличной от привычной битовой схемы обработки информации. Поэтому 50-кубитный квантовый процессор больше похож на прекрасную ажурную золотую люстру, чем на суровые плоские привычные микросхемы битовых процессоров.
Перспективы квантовых вычислений
Использование квантовых способов обработки информации способно многократно увеличить возможности компьютеров. При этом и сама информация обрабатывается не по простому принципу перебора вариантов, а по особым алгоритмам, таким как алгоритмы Шора, Дойча-Йожи и Гровера.
Создание квантовых компьютеров – огромный шаг в деле развития искусственного интеллекта, поскольку способно не просто увеличить скорость и одновременность вычислений, но и использовать методы нового взгляда на их результаты.
Уже около 60 тысяч пользователей использовали возможности облачного 20-кубитового квантового компьютера IBM Q для проведения собственных исследований. После подключения в облако 50-кубитового компьютера эти возможности увеличатся кратно.
Нетрудно представить себе некий квантовый суперкомпьютер, к которому, посредством облака, обращаются за помощью миллионы жителей Земли, получая быстрые и точные ответы. Ведь 50-кубитовый процессор – это даже не детство, а младенчество квантовых компьютеров, которые, несомненно, будут развиваться и расти.
hifak.ru
работает ли квантовый компьютер? / Offсянка
⇡#Озадачивающие итоги
Практически одновременно (с разницей менее месяца) два солидных научных журнала опубликовали исследовательские работы команд ученых, которые независимо друг от друга изучали одну и ту же вычислительную систему — первый в истории ИТ коммерческий квантовый компьютер D-Wave.
В самом обобщенном виде выводы двух этих команд можно резюмировать знаменитой двусмысленной формулой типа «казнить нельзя помиловать» — когда одна группа поставила жирную запятую после слова «нельзя», а вторая, соответственно, перед. Если же формулировать чуть менее замысловато и по существу, то одна статья — в журнале Physical Review [1] — очень обстоятельно и убедительно рассказывает о том, что при исследованиях работы 512-кубитного процессора D-Wave действительно обнаружены эффекты квантовой сцепленности. Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться настоящим квантовым компьютером, архитектурно вполне допускает дальнейшее наращивание числа кубитов, а значит, имеет замечательные перспективы на будущее...
Что же касается второй статьи — опубликованной журналом Science [2], — то в ней рассказано, как исследователи занимались не физической природой эффектов в основе работы того же самого процессора, а сугубо практической стороной дела: насколько хорошо это устройство выполняет свои вычислительные функции. Так вот, эта группа ученых столь же обстоятельно и убедительно, как и первая, демонстрирует, что в реальных проверочных тестах, оптимально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. По сути дела, для дорогущей, но специализированной «машины будущего» не нашлось задач, где она могла бы продемонстрировать свое квантовое превосходство. Иначе говоря, оказывается под большим сомнением сам смысл весьма недешевых усилий по созданию подобного устройства...
Даже при столь кратком описании данных работ понятно, наверное, что на их основе в высшей степени затруднительно сделать вывод о том, какова ныне ситуация с прогрессом технологий для реальных квантовых вычислений. Является ли компьютер D-Wave действительно революционным прорывом — или же это сугубо экспериментальная технология с неясным будущим?
Для полноты столь озадачивающей картины непременно надо отметить и то, что два упомянутых исследования, разительно расходящиеся в своих выводах, выполнены отнюдь не конкурирующими сторонами. Скорее даже напротив — примерно на две трети обе сборные команды состоят из ученых одних и тех же, по сути, научных центров (университет Южной Калифорнии, лаборатории корпорации Google и так далее).
Короче говоря, чтобы стало яснее, как вообще оценивать столь нетривиальную ситуацию вокруг первого в мире коммерческого квантового компьютера D-Wave, имеет смысл поглубже вникнуть в суть вопроса — как собственно технологии, так и истории ее появления...
⇡#Мы пойдем другим путем
Никакой канадской фирмы D-Wave Systems и ее квантового компьютера в истории инфотехнологий не было бы и в помине, если бы не человек по имени Джорди Роуз (Geordie Rose).
В молодые годы весьма успешный спортсмен, медалист всяческих состязаний по борьбе и кандидат в олимпийскую сборную Канады, во второй половине 1990-х Роуз всерьез решил посвятить себя науке, поступив в аспирантуру Университета Британской Колумбии. Именно тогда, в период работы над диссертацией по физике, Роузу довелось прочесть книжку ученого из НАСА Колина Уильямса «Исследования по квантовым вычислениям» («Explorations in Quantum Computing» by Colin Williams, ныне автор книги, кстати говоря, руководит бизнес-проектами D-Wave).
По тем временам — конец 1990-х — это была еще совсем новая область исследований, а книга Уильямса получила известность как одна из первых обзорных работ с описанием и анализом разнообразных теорий относительно того, как мог бы работать гипотетический квантовый компьютер. На русском языке о сути и особенностях квантовых вычислений в доступно-популярном виде рассказывается в материале примерно того же периода «Фантастическая реальность» [3]. Ну а мы для погружения в тему выделим лишь несколько ключевых моментов.
Подобно тому, как в основе обычного цифрового компьютера лежит понятие «бит», то есть носитель элементарного блока двоичной информации, 0 или 1, так и в фундаменте компьютера квантового лежит «кубит». То есть «квантовый бит» (quantum bit), носитель квантовой суперпозиции разных состояний, одновременно соответствующих как 0, так и 1, — по правилам квантовой механики. Добравшись в экспериментах до уровня квантовых кирпичиков, формирующих устройство микромира, ученые поняли, что могут не только моделировать феномены квантовой физики на схемах квантового компьютера, но и решать с его помощью массу других прикладных задач, прежде казавшихся совершенно неподъемными из-за своей гигантской вычислительной сложности.
Тот огромный, в теории, вычислительный выигрыш, что обещают кубиты квантового компьютера, непосредственно связан с присущим им свойством суперпозиции. Данная особенность квантового вычислителя позволяет обсчитывать на кубитах все ветви алгоритма фактически одновременно — с недостижимым прежде уровнем распараллеливания задачи. Но это, подчеркнем, в теории. На практике же для воплощения столь красивой идеи необходимо обеспечить несколько принципиально важных вещей. Во-первых, кубиты компьютера должны находиться в весьма особых условиях квантовой сцепленности, что делает их элементами единой квантовой системы, реагирующей на внешние воздействия как одно целое. Во-вторых, это весьма хрупкое взаимосогласованное, или когерентное, состояние системы должно продолжаться по времени больше, чем длятся деликатные операции волновых воздействий, приводящих в итоге вычислитель к нужному ответу. В-третьих…
Впрочем, для понимания масштабов задачи вполне достаточно ограничиться и этими двумя проблемами: квантовой сцепленностью множества кубитов и длительной когерентностью системы. Эффективное техническое решение для данных проблем отыскать настолько сложно, что на протяжении вот уже двух десятков лет квантовый компьютер как был, так и остается лишь крайне примитивной лабораторной моделью-игрушкой на 3, 5, 7 или от силы десяток кубитов.
За исключением, ясное дело, квантового чудо-компьютера от Джорди Роуза и его фирмы D-Wave (которая осенью нынешнего года планирует выпустить на рынок новое поколение своей машины с 1024-кубитным процессором). В качестве объяснения для этого «чуда» привлекается следующий легендарный факт из биографии отца-основателя. Когда Роуз прочел обзорную книгу Уильямса о квантовых вычислениях, у него случилось нечто вроде озарения. Работавший над диссертацией совсем иной тематики аспирант вдруг отчетливо понял, что квантовый компьютер — это именно то, чем он хотел бы заниматься всю жизнь.
Но только заниматься не так, как это делают в своих лабораториях академические ученые. Нет. Джорди Роуз сразу решил сколотить на этой почти фантастической технологии внушительное состояние, причем сделать это быстро — примерно лет за десять выведя на рынок не игрушечный, а совершенно настоящий квантовый компьютер для решения реальных задач.
Самое же, пожалуй, интересное в этом историческом решении то, что поначалу, на протяжении нескольких первых лет фирмы D-Wave (созданной в 1999 году), Джорди Роуз не имел ни малейшего понятия о том, на основе какой конкретно технологии будет построена его революционная машина. Единственное, в чем он был абсолютно уверен, — это чем заниматься НЕ следует. А именно — архитектурами «квантовых вентилей», над которыми и поныне безуспешно бьются в большинстве лабораторий мира, занятых проблемами квантового компьютинга.
⇡#Деньги на отжиг
Так называемая вентильная модель (gate model) для квантовых компьютеров прочно закрепилась в основе подавляющего большинства академических исследований по вполне естественной, в общем-то, причине: эта концепция сводится к разработке квантовых эквивалентов для тех логических вентилей, которые выступают в качестве строительных блоков для электронных схем в компьютерах обычных, классических.
При таком подходе в особую ловушку захватывают индивидуальные ионы или фотоны, дабы использовать их в качестве кубитов, и сцепляют «пленников» вместе цепочками — в логические вентили, подобно тому как это сделано в обычных компьютерных схемах. То есть те же модули логических операций «и», «или», «не» и так далее, но только с той разницей, что кубиты способны взаимодействовать друг с другом намного более сложным, квантовым образом.
Фатальная беда прямого подхода в том, что кубиты в ловушках категорически не любят находиться в состоянии общей суперпозиции, иначе именуемой когерентностью. Одна случайная молекула воздуха или другой малейший «шум» в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности. Поэтому все эти хрупкие и нежные вентили необходимо тщательно экранировать буквально от всего — так что подобного рода квантовый компьютер проще простого сделать дорогущим, но бесполезным в деле устройством.
Короче, Джорди Роуза совершенно не устраивали лабораторные опыты с регистрами из 3 или 7 кубитов. Он хотел тысячу кубитов — причем в таком устройстве, которое можно продать. И было совершенно ясно, что нужен радикально иной подход, каким-то образом позволяющий избавиться от тупиковой хрупкости кубитов. В качестве одной из наиболее перспективных идей на этом пути довольно быстро был выбран так называемый «квантовый алгоритм адиабатической эволюции» [4], также известный как «квантовый отжиг» (quantum annealing). Если излагать в нескольких словах, то теоретическая суть метода выглядит примерно так.
Под отжигом в металлургии принято понимать процесс естественного остывания материала. То есть — с точки зрения физики — переход системы к основному, самому устойчивому состоянию энергетического минимума. Поскольку в природе повсюду применим принцип наименьшего действия, математическое описание данного процесса дает ученым алгоритмы для наименее затратного приведения любой системы к ее оптимальному состоянию. Технически это именуют алгоритмами оптимизации, а применяют в гигантском множестве самых разных приложений — от систем искусственного интеллекта и космических исследований вплоть до биржевых спекуляций.
Квантовый же компьютер тут очень заманчив вот в каком ракурсе. Весьма часто задачи оптимизации визуально представляют как сложный горный ландшафт со множеством пиков, хребтов и долин, расположенных на разной высоте над уровнем моря. Задача ищущего — отыскать на этой местности самую что ни на есть низкую долину. И чтобы отыскать ее на компьютере классическом, надо методично — взбираясь на пики и хребты — обойти все долины, таким вот изнуряющим перебором вычислив нужный минимум. Ну а компьютер квантовый — в теории — позволяет как бы проделывать в горах множество туннелей, куда быстрее выходя на долины и отыскивая среди них минимальную.
С точки зрения физики для решения этой задачи отлично подходит известный квантовый эффект, неслучайно носящий имя «туннельный» — он обеспечивает прямой переход системы из одного состояния в другое, минуя энергетические барьеры. А самое привлекательное, что эффект туннелирования не только намного более стабилен, нежели хрупкая когерентность, но и давным-давно уже освоен в промышленности полупроводников.
Для Роуза и его фирмы D-Wave этот подход концептуально выглядел довольно заманчиво, однако поначалу не было ясности с тем, на основе какой элементной базы все это дело можно было бы реализовать. Но однажды, в 2003 году, Джорди Роуз знакомится с нужным человеком — специалистом НАСА по системам SQUID Эриком Ладизински (Eric Ladizinsky) — и понимает, что нашел-таки самое подходящее решение.
Дословно SQUID расшифровывается как Superconducting QUantum Interference Device, то есть «сверхпроводящее устройство квантовой интерференции». Однако на русский этот термин обычно переводят как «сверхпроводящий квантовый магнитометр» — поскольку очень часто «сквиды» используют именно в качестве особо чувствительного, самого лучшего для физиков датчика магнитного поля. Если же посмотреть на SQUID чуть иначе, то это устройство, имеющее вид сверхпроводящего кольца, пропускает через себя ток одновременно в двух противоположных направлениях. Иначе говоря, находится в состоянии квантовой суперпозиции и представляет собой готовый, по сути дела, кубит макроскопического размера, удобного для вычислительных манипуляций с магнитным полем.
Более того, «сквиды» можно делать сцепленными, чтобы заряды за счет квантового туннельного эффекта могли перескакивать с одного кольца на другое. Ну а самым, пожалуй, замечательным оказывается то, что из ниобиевых «сквид-колечек», имеющих размер в доли миллиметра, вполне можно формировать массивы-матрицы — практически по той же технологии, с помощью которой на стандартных промышленных линиях изготовляются полупроводниковые микросхемы...
Когда все эти факты, соображения и расчеты были аккуратно собраны в обстоятельный бизнес-план (о создании криогенного процессора квантового отжига на основе матрицы из SQUID-элементов), под столь солидный проект Роуз и компания смогли довольно быстро, в том же 2003-м, получить вполне приличный стартовый капитал — в размере около 100 миллионов долларов. (Среди главных инвесторов затеи обычно упоминают основателя империи Amazon Джефа Безоса и собственную инвестиционную фирму ЦРУ США под названием In-Q-Tel.)
⇡#Успехи и разочарования
К 2007 году компания D-Wave изготовила свой первый реальный продукт — 16-кубитный процессор, получивший название Orion. Сверхпроводниковые схемы машины, работающие около температуры абсолютного нуля, реально продемонстрировали способность решать ряд типичных тестовых задач: судоку, рассаживание гостей за столом, поиск в базе данных на предмет ближайшего соответствия для специфической молекулы. Тот факт, что процессор начал сразу работать, немало, надо сказать, изумил даже самих творцов. Как гласит еще одно предание, когда чип Orion реально стал решать задачи, Джорди Роуз сказал: «Ну надо же, черт побери, эта штуковина и вправду делает то, для чего мы ее создавали... Ведь вплоть до этого момента мы и понятия не имели, будет ли оно вообще работать...»
Не раскрывая подробностей своей архитектуры, D-Wave представила ученым и рынку работающий прототип нового квантового процессора, однако никакого фурора, ясное дело, поначалу не произвела. Для научного мира имя Роуза и его предприятия не значили абсолютно ничего, оценивать их «черный ящик» вслепую не было никаких резонов, ну а для рынка что 16 кубитов, что 5 или 7 — все едино, поскольку реальные задачи требуют совсем других масштабов. На планы D-Wave, впрочем, это никак не повлияло, поскольку фирма изначально была нацелена на методичное — из года в год — наращивание числа кубитов в своем процессоре.
Когда же в 2010 году на горизонте уже отчетливо наметился 128-битный чип, обозначился и первый серьезный покупатель, заинтересовавшийся технологией. По окончании успешных тестов — в 2011-м — флагман военно-промышленного комплекса США, корпорация Lockheed Martin, действительно купила компьютер D-Wave One на 128-кубитном процессоре за 10 с чем-то миллионов долларов. Машину, как объявлено, приобрели для оптимизации собственных программ-авиасимуляторов компании, а также для всевозможных других экспериментов сообщества ученых с новой компьютерной архитектурой. Ради чего D-Wave One установили не в секретных лабораториях корпорации, а в USC, Университете Южной Калифорнии.
Вот тогда-то, когда до работы с экзотическим процессором реально добрались пытливые ученые-исследователи, и началось подлинное изучение новой системы. С весьма и весьма неоднозначными результатами, надо отметить. Причем амплитуда расхождений в оценках ничуть не уменьшилась (скорее даже наоборот) и вместе со второй большой коммерческой удачей D-Wave — когда в 2013-м другую их машину на 512-кубитном процессоре купили в совместное использование Google и NASA.
Подробности о том, как происходит этот непростой и весьма специфический процесс «завоевания рынка» фирмой D-Wave, можно найти в материале «Особый путь Волны D» [5].
Здесь же пора просто подытожить рассказ о необычном компьютере — возвратом к тому, с чего, собственно, и начиналась статья. То есть к итогам новейших научных исследований технологии. Итоги же эти, в самом кратком виде, примерно таковы. Сейчас в научном сообществе уже нет никаких сомнений, что в процессоре компьютера D-Wave работа элементов действительно происходит на основе реальных квантовых эффектов между кубитами (довольно долго многие считали, что криогенный «черный ящик» просто симулирует квантовую физику).
Но (и это чрезвычайно серьезное НО) ключевые особенности в конструкции процессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сравнении с обычным мощным компьютером, который имеет специальное ПО, заточенное под решение задач оптимизации. Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже и сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача...
Дабы постичь, отчего все так странно тут происходит, надо для начала вникнуть в особенности конструкции процессора D-Wave, матрица кубитов которого набирается из 8-битных «островков сцепленности», очень слабо связанных друг с другом (в идеале же ВСЕ кубиты процессора должны напрямую сообщаться между собой). Отсюда нарастает масса прочих проблем, замыкающихся в финале и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.
При суммировании всех этих факторов подвести общий итог инициативе D-Wave лучше всего помогает такое вот заявление их крайне напористого отца-основателя Джорди Роуза:
Мы хотим стать компанией типа Intel, Microsoft и Google. То есть здоровущим предприятием-флагманом на 100 миллиардов долларов, которое породит совершенно новый тип технологий и экосистем. И я думаю, что мы уже близки к этой цели — построить самый зашибательский компьютер из всех, что появлялись в истории этого мира...
Нет никаких, в общем-то, сомнений, что в будущем человечество определенно ожидает начало новой компьютерной эры. Но только вряд ли надо быть волшебником и ясновидящим, чтобы четко понимать — это будущее практически наверняка НЕ БУДЕТ выглядеть как криогенные компьютеры фирмы D-Wave Systems.
⇡#Ссылки:
- [1] T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Processor. PHYSICAL REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041 )
- [2] T.F. Rønnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319 )
- [3] Киви. Фантастическая реальность. К итогам конференции по квантовым вычислениям в Беркли. (Март 2000) (http://kiwibyrd.org/2014/06/22/03/)
- [4] Farhi E., et al. A quantum adiabatic evolution algorithm applied to random instances of an NP-complete problem. Science 292, 472-475 (2001)
- [5] Киви. Особый путь «Волны D». (Май 2013) (http://kiwibyrd.org/2014/05/11/135/)
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
3dnews.ru
Квантовый компьютер стал на две секунды ближе к реальности
Всего полгода назад Лукин рассказывал на своей лекции в Москве как еще далеки мы от создания вычислительных машин основанных на квантовых эффектах и вот сегодня из его лаборатории поступила новость опережающая свое время. Оказалось, что будущее уже на пороге.
Лекция в Digital October
Под руководством Лукина группа ученых из Гарвардского университета смогла создать квантовые биты, хранящие информацию в течение примерно 2 секунд. Это примерно на 6 порядков дольше, чем в ходе предыдущих экспериментов. Отдельной особенностью созданного кубита стало то, что он способен работать при комнатной температуре.
Квантовый бит (или кубит) — это наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. По мнению исследователей, гарвардский эксперимент сделал на шаг ближе квантовые вычислительные системы.
Большинство существующих квантовых систем создаются на базе сложного и дорогого оборудования, включая установки, охлаждающие систему до абсолютного нуля (-273 по Цельсию). Группа ученых во главе с гарвардским профессором физики Михаилом Лукиным (Mikhail Lukin) использовала алмазы, выращенные в лабораторных условиях.
"То, что нам удалось достичь в плане контроля, — поистине беспрецедентно, — прокомментировал Лукин. — Мы получили кубит при комнатной температуре. Мы смогли записать информацию в него и сохранить ее в течение относительно долгого времени. Мы полагаем, что данный эксперимент имеет лишь технические ограничения. То есть выглядит вполне реальной возможность продления периода существования кубита на часы. В этом случае становится возможным внедрение реальных квантовых вычислительных систем".
Помимо квантовых компьютеров, Лукин предвидит создание квантовых платежных систем, которые используют квантовые биты для кодирования информации, и квантовых вычислительных сетей с новым уровнем защиты от вторжений.
Михаил Лукин, Георг Кукско и Кристиан Латта в своей лаборатории.
"Данное исследование — важный шаг на пути к созданию практического квантового компьютера, — сказал Георг Кукско (Georg Kucsko), один из участников научной группы. — Мы впервые смогли создать простую систему с приемлемым для хранения данных временным интервалом".
Основа для эксперимента была найдена командой Лукина несколько лет назад, когда ученые обнаружили, что находящиеся в выращенном в лабораторных условиях алмазе дефекты (азото-замещенные вакансии, NV-вакансии) обладают свойствами отдельных атомов, в частности, имеют спин. С помощью лазерной установки ученые научились управлять спином и узнавать его меняющуюся со временем поляризацию.
Непосредственно данные ученые записывали в изотоп углерод-13, способный долго сохранять свое состояние. Однако с другой стороны изолированность является недостатком — потому что к нему трудно «подобраться». Ученые нашли гениальное решение: они смогли взаимодействовать с изотопом с помощью соседних примесей другого типа.
В результате этого взаимодействия по состоянию NV-вакансии можно судить о состоянии атома углерода, и исследователи смогли кодировать бит информации в спин атома.
Кодирование информации в спине атомов углерода-13 и ее чтение с помощью NV-вакансии — это лишь шаг на пути к квантовым компьютером. Прежде чем они станут практически полезными, исследователи должны определить, как воспользоваться квантовым свойством атомов: способностью существовать в двух состояниях одновременно.
Михаил на пальцах объясняет суть своей работы
Способность находиться в двух состояниях одновременно является ключевым принципом квантовых компьютеров. В отличие от традиционных компьютеров, которые записывают биты информации в состояниях нуль или единица, квантовые компьютеры, используют свойства атомов, чтобы записывать два значения сразу.
По замыслу, это свойство позволит им выполнять несколько вычислений параллельно, что сделает их значительно более мощными, чем традиционные компьютеры, которые выполняют операции в определенной последовательности.
Руководитель научной группы, создавшей кубит, работающий при комнатной температуре, — выпускник МФТИ Михаил Лукин, профессор физики Гарвардского университета, содиректор Гарвардского центра квантовой оптики, содиректор Центра ультрахолодных атомов Гарварда-MIT. Участвует в международном консультативном совете Российского квантового центра, резидента Фонда «Сколково».
habr.com
