Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.

Читайте «Хайтек» в

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.

Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.

В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.

Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.

Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений

Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.

Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.

Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.

Что означает формулировка «квантовое превосходство»?

Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.

В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.

Читать еще:  Первый Лунный день — время мечтать о богатстве и строить планы

Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».

Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.

Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.

Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?

Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.

Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.

Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.

Чем еще он может заниматься?

  • Базы данных и поиск по ним.

Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.

  • Приложения к криптографии.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

  • Исследования в области искусственного интеллекта.

Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.

  • Молекулярное моделирование.
Читать еще:  Детектор темной материи делает невероятные нейтринные наблюдения

Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств

А что в России?

Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.

Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.

В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.

В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.

Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.

Что такое квантовое превосходство?

Квантовое превосходство — это цель создания такой квантовой вычислительной системы, которая сможет решить проблему, которую ни один классический компьютер не сможет решить за разумное время.

Это включает инженерные задачи по разработке мощной квантовой машины, а также вычислительно-теоретическую задачу классификации вычислительных задач, которые могут быть решены с помощью этого квантового компьютера.

Квантовое превосходство является важным шагом на пути к более мощным и полезным вычислениям. Было сделано несколько предложений, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство. Наиболее заметными из них являются:

  • Выборка вывода случайных квантовых схем
  • Проблемы с неудовлетворенным кластером, разработанные D-Wave
  • Предложение по взятию проб бозона, внесенное Ааронсоном и Архиповым

Как мы скажем об уверенности в том, что квантовое превосходство было достигнуто?

Проверка квантового превосходства — одна из самых сложных задач. Это не похоже на ядерный взрыв или запуск ракеты, где вы просто смотрите и сразу узнаете, удалось ли это.

Вы должны точно продемонстрировать две вещи, чтобы проверить квантовое превосходство:

  1. Квантовое устройство быстро выполняет вычисления.
  2. Ни один классический компьютер не может эффективно выполнять те же вычисления.

Вторая часть довольно сложная. Оказывается, классические компьютеры могут выполнять определенные типы задач очень эффективно (лучше, чем ожидали ученые). Пока не доказано, что классический компьютер не может эффективно выполнять конкретную задачу, всегда есть шанс, что существует более эффективный, лучший классический алгоритм. Доказательство того, что такого классического алгоритма нет, может быть спорным, и на это может уйти много времени.

Квантовый компьютер: кубиты вместо битов

В лаборатории Санта-Барбары (Калифорния) команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине, которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение (точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды) уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты (qubits, от quantum bits). Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно.

Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить.

Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера.

Читать еще:  На расстоянии 2000 световых лет от Земли звезда уходит в самоволку

Вот короткая версия: в повседневной жизни вероятность наступления какого-либо события может составлять от 0 до 100% — поэтому вы никогда не слышали о 30-процентной отрицательной вероятности дождя!

Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность (фотоны и электроны), подчиняются совершенно иным законам вероятности. Они измеряются амплитудами, которые могут быть положительными, отрицательными и даже комплексными (включая квадратный корень из −1).

Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире.

Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1.

Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0.

Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.

Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом (в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности» )? Законы квантовой механики действуют непреклонно — придется просчитывать все возможные значения всех тысяч бит. Это 2 в тысячной степени — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной!

Если у вас 53 кубита, как в «Сикоморе» от Google, то получится 2 в степени 53, или около 9 квадриллионов значений.

Что такое квантовое превосходство?

Питер Шор никогда не хотел, чтобы его алгоритм использовался классическим суперкомпьютером, работавшим 300 лет в поисках основных факторов. Шор придумал этот алгоритм в качестве исследователя в Bell Labs, AT & T, где он был сосредоточен на решении сложных математических задач.

Он предположил, что в далеком будущем люди могут успешно разработать компьютер, достаточно мощный для выполнения его алгоритма в разумные сроки. В тот день, когда квантовый компьютер мог выполнять сложные математические алгоритмы, подобные алгоритму Шора, которые для современной вычислительной техники практически невозможно решить, он достиг бы квантового превосходства.

В условиях, когда такие компании, как Google и IBM, выделяют ценные ресурсы на разработку квантовых вычислений, успешный механизм взлома кодов может оказаться не таким уж далеким, как воображает Шор. Фактически, квантовый компьютер Google, как говорят, уже достиг квантового превосходства в прошлом месяце, взломав аналогичную, хотя и надуманную, сложную математическую задачу быстрее, чем самый быстрый классический суперкомпьютер. Проблема, на решение которой суперкомпьютеру понадобилось 10 000 лет, была решена квантовым компьютером Google за 3 минуты и 21 секунду.

Достижение квантового превосходства имеет большое значение. Достижение Google — это первый раз, когда квантовый процессор успешно решил то, что не мог классический компьютер. Тем не менее машина Google была создана для решения этой единственной сложной задачи.

Значимость этого факта проста: решение этой проблемы не имеет практического применения. Он просто служит доказательством концепции существования технологий в ближайшем будущем, которые могут решить реальные сложности, такие как алгоритм Шора.

Кроме того, взлом алгоритма Шора может не быть концом всего шифрования, как популярные блоги могут заставить вас поверить. Только потому, что вы делаете универсальный ключ, который может сломать любой замок, не означает, что мы никогда не сможем создать лучший замок.

Квантовые компьютеры будущего, которые будут считать квантовое превосходство само собой разумеющимся, могли бы дать начало квантовому шифрованию, которое было бы еще более безопасным и сделало бы алгоритм Шора не более чем интересной теоретической концепцией прошлого.

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector