Квантово съвършенство: Всичко за квантовите компютри

Щандът на Intel на конференцията за потребителска електроника CES в Лас Вегас в началото на тази година, както обикновено, беше изпълнен с журналисти и техно-блогъри. Новите продукти на най-големия производител на микрочипове винаги са потенциално интересни, въпреки че през последните години тези актуализации - малко повече ядра, малко по-малко консумация на енергия - все по-малко привличат вниманието на обществеността. Този път обаче технологичният гигант наистина имаше с какво да се похвали: на посетителите беше показан квантовият процесор Tangle Lake, способен - макар и теоретично и само в някои задачи - да прави това, което досега само най-добрите суперкомпютри могат да си позволят.

Tangle Lake нито по размер, нито по форма не се откроява твърде много от обикновените продукти на Intel. Но принципите, върху които той работи, са далеч от тези, върху които е изградена традиционната електроника. Вместо милиарди транзистори, новият чип има само 49 елемента. И това не са полупроводникови токови превключватели, а кубити ("квантови битове"), единични клетки, способни да работят с квантова информация. В този случай те са малки свръхпроводящи антени.

Това не е единственият вариант за получаване на кубити за квантов компютър, но в този случай техният брой е по-важен. 49 не е рекорд: още преди представянето на Tangle Lake IBM говори за работа на 50-кубитен квантов компютър, а група, ръководена от физика от Харвард Михаил Лукин, направи експериментален 51-кубитен компютър. Лесно е да се види, че всички тези проекти са изградени около фигура от петдесет кубита: именно върху нея обикновено се задава лентата, след което можем да очакваме появата на "квантово превъзходство".

Предимство на несигурността

Ричард Фейнман предложи през 1981 г. да се използват не обикновени компютри, а други квантови системи, които биха могли да играят ролята на опростен модел, за да се изчисли поведението на квантовите системи. Честно казано, струва си да добавим, че идеята очевидно е била във въздуха: почти година преди да бъде изразена от съветския математик Юрий Манин. Всъщност трудността, с която се срещат обикновените компютри при моделирането на такива системи, се крие в тяхната много квантова природа, във фаталната несигурност на параметрите на взаимодействащи частици.

Три типа квантови компютри. 1. Устройство за квантово отгряване

Най-малко универсалната форма на квантов компютър. Най-лесно е да се изгради, но може да изпълнява само много ограничен набор от задачи, свързани с оптимизацията. Много експерти се съмняват, че такова устройство може да има някакви предимства пред традиционния компютър. Приложение: задачи за оптимизация Универсалност: ограничена. Изчислителна мощност: не надвишава традиционната

Да предположим, че трябва да изчислим как се държи атом, ако насочим фотон към него; за това трябва да открием поляризацията на фотона. Единственият начин да направите това е да се направят измервания, а преди това поляризацията ще остане несигурна: физиците говорят за суперпозиция, налагане на възможни стойности. За изчисленията всички опции трябва да се разглеждат отделно и в нашия пример това ще отнеме два пъти повече, отколкото ако са били известни необходимите поляризационни параметри. Освен това си струва да започнете да добавяте други компоненти в системата (няколко атома, няколко фотона) и трябва да се умножат несигурностите, а сложността на изчисленията ще нараства експоненциално.

Идеята на квантовия компютър е била да превърне недостатък във добродетел: използвайте самата несигурност за изчисленията, което толкова усложнява обикновените изчисления. Представете си, че трябва да вземете парола, чиито последните два бита са неизвестни. Тук са възможни четири комбинации: 00, 01, 10 и 11. В класическия случай всяка от тях трябва да се разглежда отделно: заменете я на правилното място и проверете резултата. Ако обаче квантов обект - например два кубита със суперпозиция на поляризация - стане носител на информация, тогава и четирите комбинации могат да бъдат проверени едновременно.

2. Аналогов квантов компютър Позволява ви да симулирате сложни квантови взаимодействия, които не са достъпни за моделиране на всеки традиционен компютър. Смята се, че аналогов квантов компютър ще съдържа от 50 до 100 кубита. Приложение: квантова химия, разработване на нови материали, проблеми с оптимизацията, вземане на проби, квантова динамика. Универсалност: частична. Изчислителна мощност: висока

Ако съществува правилната комбинация от възможни състояния на кубит, няма съмнение, че и те ще го приемат. Основното е да организираме взаимодействието между тях, така че да можем да прочетем и разберем получения отговор. Силата на квантовите компютри се крие именно в експоненциално нарастващия брой операции, които могат да бъдат извършени в една стъпка. Система от два кубита ви позволява едновременно да обмислите четири варианта за развитието на събитията, система от четири - 16. След 50, както помним, се поставя „квантово превъзходство“ и вече няма достатъчно атоми за броя на комбинациите от всички възможни състояния на квантов компютър от 300 кубита във Вселената.

За да вземем тази лента, ние се нуждаем от физически носители на кубити. В тази роля отделни атоми, които могат да бъдат в различни енергийни състояния или дефекти в кристалната структура („вакантни места“), които носят въртене в различни посоки, или дори относително големи предмети, като онези свръхпроводящи антени, върху които е изградено Tangle Lake, могат да играят тази роля. Трудно е да се каже кой вариант ще стане стандартът в бъдеще. Така по едно време беше с електрическа лампа: физиката е разбираема, но беше предложен цял куп инженерни решения. Само опитът на приложението ще покаже предимствата, недостатъците и перспективите на различните системи.

3. Универсален квантов компютър Най-мощната и най-гъвкава версия на квантов компютър по отношение на изчислителните проблеми. Разработването на такова устройство е свързано с голям брой технически затруднения. Според сегашните оценки, съставът му трябва да има най-малко 100 000 физически кубита. Приложение: сигурни изчисления, машинно обучение, криптография, квантова химия, разработване на нови материали, проблеми с оптимизацията, вземане на проби, квантова динамика, търсене. Универсалност: пълно, с ускорение относно традиционните компютри. Изчислителна мощност: Изключително висока

Минимален набор

За да създадете истински квантов компютър обаче, ще ви е необходим не само набор от кубити, но и каналите на тяхното взаимодействие. В конвенционалния компютър проводниците и електрическите контакти играят тази роля, а в квантовия компютър - ефектът на заплитане. Заплетените частици имат общи квантови параметри: те могат да бъдат физически разделени, но поведението им ще остане обвързано, независимо от разстоянието. Кубитите в квантовия компютър не са твърде далеч, но именно тънкостите ги свързват в една единствена, съгласувана откликваща се система.

Освен това новият компютър трябва да записва и чете информация. По принцип това е най-простото: за вход-изход можете да използвате радиация, например лазерна или микровълнова, фокусирана върху отделни кубити, което ви позволява да "пишете" и "четете" тяхното състояние. Технически това е доста деликатна работа, която изисква скъпо оборудване, но физиците са в състояние да го правят отдавна. Много по-трудно е да се изпълни последното изискване: да се изолират кубитите от външния свят възможно най-надеждно, за да се запази тяхното заплитане за време, достатъчно за изчисления и обмен на данни.


Bristlecone Google

Най-новата разработка на групата John Martinis в изследователския отдел на корпорацията за търсене показва пример за нов подход към проблема с корекцията на грешки, толкова важен за квантовите изчисления. Кубитите са подредени на микрочипа, така че „белите“ се използват за логически операции, а „черните“ се използват за контрол на грешки.

Самият котец Schrodinger може да каже колко е трудно да се запази квантовата природа на голяма и сложна система. Идеята на този мисловен експеримент е широко известна: животното, поставено в кутията, е едновременно живо и мъртво, тъй като съдбата му зависи от несигурното състояние на определена частица. Преди да отворите кутията (измерване), параметрите на частицата са в суперпозиция на две състояния, а с тях котката е в суперпозиция. Обикновено този експеримент е цитиран като пример за парадоксалния характер на квантовия свят, но ако се замислите, той говори и за нещо друго.

В същото време живи и мъртви котки не се случват само защото котката е макроскопичен обект. Състои се от много частици, които през цялото време се стремят да влязат във взаимодействие с външната среда и да се „сринат“, губейки несигурност и преминавайки в едно от възможните състояния. По същия начин с компютър: колкото повече кубити, толкова по-мощен може да бъде, но в същото време той все повече прилича на котка на Шрьодингер, на която му е трудно да поддържа квантовото си състояние. Ето защо кубитите задължително се поставят във вакуумни камери, те създават хитри схеми за охлаждане и разработват сложни методи за коригиране на грешки.


Заплетено езеро инф

В допълнение към броя на кубитите и използването на свръхпроводящи антени с кръстовища Джозефсон като основа на устройството, нищо конкретно не се знае за Tangle Lake.

Точка на прегъване

Сега, когато е доста ясно какво всъщност означава квантовият калкулатор и какви предимства може да има, е ясно, че квантовите технологии няма да заменят добрия стар силиций нито утре, нито в далечното бъдеще. Това обаче изобщо не означава, че всички приказки за "квантово превъзходство" са друга патица. Да, днес има само няколко изчислителни задачи, които квантовите компютри могат да ускорят. Но това ускорение не е 10 или 100 пъти, а много повече - колкото по-трудна е задачата, толкова по-забележима.


50Q IBM

IBM представи 50-кубитния квантов компютър през ноември 2017 г., но малко се знае за него. По-специално се твърди, че нейното време за съгласуваност (по време на което могат да се извършват изчисления) достигна рекордните 90 микросекунди за системата.

Решението на много такива проблеми вече се изисква на практика. Например, алгоритъмът Shore позволява да се хакнат най-модерните шифри за секунди, а алгоритъмът Love Grover фундаментално намалява сложността на търсене в големи количества данни. Не бива да забравяме и за квантовите изчисления, за които първоначално са говорили Фейнман и Манин. Според статистиката, те заемат днес до 30-40% от компютърните ресурси на всички суперкомпютри. И очевидно това е областта, която ще почувства първите „квантови тласъци“ от създаването на нови машини. А това ще означава нови материали, нови лекарства, ново разбиране за свръхпроводимост.


19Q Rigetti Computing

Основната характеристика на 19-кубитния чип е неговата специализация в машинното обучение. Системата е предназначена за решаване на проблеми с клъстеризирането на данни, например при разпознаване на изображения.

Няма съмнение, че ще има още такива примери: обхватът на практическите приложения на всеки компютър става ясен едва след появата на подходящи алгоритми за него, които тепърва ще се разработват. Създаването им е зона толкова млада, че според един изследовател „можете да напишете на една дъска имената на всички, които се занимават с нея в света“. Специалистите трудно липсват, особено сега, когато ИТ гиганти са включени в квантовата надпревара, готови да примамят служители с цели лаборатории.


2000Q D-Wave

2000Q съдържа 2048 кубита, което формално го прави най-сложната квантова система в света. Архитектурата на D-Wave обаче се различава значително от другите устройства и е подходяща за решаване само на много тесни задачи. Много експерти се съмняват, че подходът D-Wave като цяло може да има практическа полза от използването на квантови ефекти.

Настъпването на ерата на "квантовото превъзходство" не може да се сравни с пускането на първия персонален компютър или мобилната революция. Обикновените потребители няма да почувстват фундаментални промени поне още няколко години. Но ако говорим за индустрията, то тя вече се е променила. Остър интерес към постквантната криптография, създаването от гиганти като IBM и Microsoft, платформи за разработване на квантови алгоритми, милиарди долари инвестиции - историята на квантовата революция вече се пише.

хронология

До 1990 г.: развитието на квантовата механика, теоретичната работа

1927

Вернер Хайзенберг формулира принципа на несигурността.

1981

В лекцията „Моделиране на физиката на компютрите“ Ричард Фейнман формулира основите на квантовите изчисления.

1985

Дейвид Дойч описва универсална квантова компютърна система за всякакви изчисления.

След 1990 г .: опити за създаване на квантови компютри. Начало на активно финансиране на научни изследвания

1994

Питър Шор отваря квантов алгоритъм за факторинг на цели числа, който позволява разбиване на съвременни криптосистеми.

1994

Питър Золер и Хуан Игнасио Сирак реализират първата експериментална схема на квантов компютър, като са получили логическата врата C-NOT.

1997Алексей Китаев създава надежден метод за коригиране на грешки в квантовите изчисления.
1998

Първите двухубитни компютри са създадени в Оксфордския университет и IBM.

2001

Квантовият компютър на IBM успешно декомпресира числото 15, използвайки алгоритъма Shore.

2008

D-Wave обявява създаването на 28-кубитно устройство.

2016

IBM стартира облачна услуга Quantum Experience за отдалечен достъп до квантовите компютри.

2017

Поне четири независими групи отчитат създаването на калкулатори с около петдесет кубита.

2018

Групата John Martinis обявява Bristlecone, 72-кубитен квантов компютър с коригиране на грешки.

Статията „Quantum Excellence“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 5, май 2018 г.).

Препоръчано

Еволюция на бактерии в реално време
2019
Легендарният съветски атакуващ самолет Су-25
2019
11 най-смешни и нелепи конспиративни теории: свят на влечуги
2019