• Главная
  • Карта сайта
Не найдено

Століття квантових комп'ютерів вже настав, але перспективи туманні

  1. Заткнися і обчислюй
  2. квантові помилки
  3. Життя з помилками
  4. А який у вас обсяг?

Майже два роки тому компанія IBM показала світу квантовий комп'ютер з п'ятьма квантовими бітами (кубитами), який вони тепер (що звучить трохи дивно) називають IBM Q Experience. Тоді пристрій швидше нагадувало іграшку для дослідників, ніж засіб для серйозної обробки даних. Однак у проекті зареєструвалося 70 тисяч користувачів по всьому світу, і до теперішнього часу число кубітів збільшилася в чотири рази. Кілька місяців тому IBM і Intel оголосили про створення квантових комп'ютерів на 50 і 49 кубітів. Також відомо, що ще один комп'ютер чекає свого часу в стінах компанії Google. «Спільнота повно енергії, а недавні прориви вражають», - заявляє фізик Йенс Айзерт з Вільного університету Берліна.

В даний час ведуться розмови про кризу, що насувається «квантовому перевагу»: часу, коли квантовий комп'ютер зможе виконати завдання, непосильне навіть найпотужнішим класичним суперкомп'ютерів. Якщо порівнювати одні лише числа, то така заява може здатися безглуздим: 50 кубітів проти мільярдів класичних бітів в будь-якому ноутбуці. Але вся суть квантових обчислень полягає в тому, що квантовий біт здатний на набагато більшу, ніж класичний. Довгий час вважалося, що 50 кубітів буде досить для проведення обчислень, які звичайний комп'ютер виконував би нескінченно довго. В середині 2017 року дослідники з Google оголосили, що збираються продемонструвати квантове перевагу до грудня. (На недавню прохання поділитися новими даними представник компанії відповів так: «Ми оголосимо результати, як тільки вони будуть досить обгрунтованими, а поки проводиться ретельний аналіз вже наявних напрацювань».)

Дуже хочеться зробити висновок, що всі основні проблеми можна вирішити і майбутнє, в якому квантові комп'ютери - явище повсюдне, це лише питання технічного оснащення. Але він буде помилковим. Фізичні питання в основі квантового обчислення поки ще далекі від вирішення.

Навіть якщо ми незабаром і зробимо крок в епоху квантового переваги, такі рік-два можуть виявитися вирішальними - чи дійсно квантові комп'ютери повністю змінять підхід до обчислень? Ставки все ще високі, і немає ніяких гарантій, що мета буде досягнута.

Заткнися і обчислюй

І переваги, і проблеми квантових обчислень є невід'ємною частиною фізики, яка робить їх можливими. Про основи вже було сказано не раз, хоча не завжди уточнювалося, чого ж вимагає квантова механіка. Класичні комп'ютери зберігають інформацію і обробляють її в двійковому коді (0 або 1). У квантових комп'ютерах ситуація майже та ж сама, тільки кожен біт знаходиться в так званій суперпозиції, тобто він може бути і 0, і 1 одночасно. Це означає, що визначити стан кубіта можна лише з деякою часткою ймовірності.

Щоб виконати обчислення з великою кількістю кубітів, всі вони повинні знаходитися під взаємозалежних суперпозиції - в стані «квантової когерентності», при якому всі кубіти вважаються зчепленими. В такому випадку найменша зміна в одному кубите може вплинути на всі інші. Тобто обчислювальні операції з використанням кубітів мають велику продуктивність, ніж з використанням класичних бітів. У класичному пристрої обчислювальні можливості знаходяться в простої залежності від кількості бітів, а ось додавання кожного нового кубіта збільшує можливості квантового комп'ютера в 2 рази. Саме тому різниця між 5-кубітним і 50-кубітним пристроєм так значна.

Зауважте, я не сказав, як це часто роблять, про те, що перевага квантового комп'ютера перед класичним полягає в існуванні суперпозиций, які набагато збільшують кількість можливих станів закодованої інформації. Як і не сказав, що зчепленість дозволяє проводити багато обчислень одночасно. (Насправді, високий ступінь сцепленности кубітів не є обов'язковою умовою.) Частка правди в цьому є, але суті квантового обчислення жодне з тверджень не описує.

Через складність розуміння квантової механіки пояснити, чому квантове обчислення володіє такою потужністю - серйозне завдання. Рівняння квантової теорії ясно показують, що працювати вона буде - принаймні, з деякими видами обчислень: при факторизації або пошуку по базі даних процес прискорюється колосально. Але наскільки саме?

Мабуть, найбезпечніший спосіб описати квантові обчислення - це сказати, що квантова механіка певним чином створює «можливості» для обчислень, які недоступні класичним пристроїв. Як зауважив фізик Деніел Готтесмана з Інституту теоретичної фізики Периметр (Інститут Периметра) в Ватерлоо: «Якщо є достатня кількість квантової механіки, то в деякому сенсі процес прискорюється, а якщо ні, то не прискорюється».

Хоча деякі моменти все ж ясні. Для проведення квантових обчислень необхідно, щоб всі кубіти були когерентні, а це вкрай важко реалізувати. Взаємодія системи когерентних кубітів з навколишнім середовищем створює канали, через які когеренція швидко «витікає». Цей процес називається декогеренції. Вчені, які планують створити квантовий комп'ютер, повинні запобігати декогеренції. Зараз їм вдається зупинити її лише на частку секунди. Ситуація стає складніше, коли кількість кубітів, а, відповідно, і можливість взаємодії з навколишнім середовищем зростає. Саме тому, хоч ідея квантових комп'ютерів і була вперше запропонована Річардом Фейнманом ще в 1982 році, а теорію розробили на початку 1990-х, пристрої, здатні виконувати ці обчислення, вдалося створити тільки зараз.

Саме тому, хоч ідея квантових комп'ютерів і була вперше запропонована Річардом Фейнманом ще в 1982 році, а теорію розробили на початку 1990-х, пристрої, здатні виконувати ці обчислення, вдалося створити тільки зараз

квантові помилки

Існує і друга серйозна причина, по якій створити квантовий комп'ютер так важко. Як і будь-які інші процеси в світі, він видає шум. Випадкові флуктуації, що виникають, скажімо, через температуру кубітів або через особливості фундаментальних квантомеханические процесів, можуть змінювати напрямок або стан кубіта, що призводить до неточності розрахунків. Така загроза існує і в роботі з класичними комп'ютерами, але вона досить просто вирішується. Необхідно просто створити дві або більше резервних копій кожного біта, щоб випадково перевернутий біт не враховувався.

Вчені, що працюють над створенням квантового комп'ютера, розробили кілька шляхів вирішення проблеми, але все стратегії призводять до появи занадто великої кількості додаткових обчислювальних витрат, так як вся обчислювальна потужність витрачається на виправлення помилок, а не на виконання заданих алгоритмів. «Поточна частота помилок значно обмежує тривалість можливих обчислень, - пояснює Ендрю Чайлдс, співкерівник Об'єднаного центру квантової інформації та обчислювальних наук в Мерілендського університету. - Нам потрібно значно поліпшити результати, якщо ми хочемо створити щось цікаве ».

Багато досліджень в галузі фундаментальних квантових обчислень присвячені методам виправлення помилок. Частково складність проблеми визначається ще одним з ключових властивостей квантових систем: суперпозиції можна підтримувати тільки до тих пір, поки ви не вимірюєте значення кубіта. Вимірювання зруйнує суперпозицію і призведе до певної величиною: 1 або 0. Як можна визначити, чи відбулася помилка в роботі кубіта, якщо ви не знаєте, в якому стані він перебував?

В одній хитромудрої схеми пропонується використовувати непряме обчислення шляхом об'єднання кубіта з другим допоміжним кубітом. Останній не бере участі в обчисленні, тому його вимір не впливає на стан основного кубіта. Ось тільки реалізувати це досить складно. Подібне рішення означає, що для того, щоб створити справжній «логічний кубіт», захищений від помилок, необхідно багато фізичних кубітів.

Скільки? Квантовий теоретик Алан Аспуру-Гузик з Гарвардського університету вважає, що для створення одного логічного кубіта буде потрібно близько десяти тисяч фізичних, що не представляється можливим в даний час. За його словами, якщо все піде добре, то це число зменшиться до декількох тисяч або навіть сотень. Айзерт налаштований не так песимістично і вважає, що близько восьмисот фізичних кубітів буде досить, але визнає, що навіть при такому розкладі «додаткові витрати обчислювальної потужності все одно будуть великі». Необхідно знайти можливість справлятися з помилками.

Існує альтернатива виправлення помилок. Їх можна уникати або запобігати вплив, що називають пом'якшенням наслідків помилки. Дослідники з IBM розробляють схеми для математичного обчислення ймовірності появи помилки, а потім приймають отриманий результат за рівень нульового шуму.

Деякі дослідники вважають, що проблема виправлення помилок так і залишиться невирішеною і не дозволить квантових комп'ютерів досягти передбачених ним висот. «Створення квантових кодів, що виправляють помилки, набагато складніше демонстрації квантового переваги», - пояснює математик Єврейського університету в Ізраїлі Гіл Калай. Він також додає, що «прилади без виправлення помилок дуже примітивні в своїх обчисленнях, а перевага не може ґрунтуватися на примітивності». Іншими словами, квантові комп'ютери не перевершать класичні, якщо не позбутися від помилок.

Інші вчені вважають, що в кінцевому підсумку проблема буде вирішена. Один з них - Джей Гамбетта, фахівець в галузі квантової інформатики з Центру квантових обчислень IBM ім. Томаса Дж. Уотсона. «Наші недавні експерименти продемонстрували основні елементи виправлення помилок в маленьких пристроях, що, в свою чергу, прокладає дорогу до пристроїв більшого розміру, здатним надійно зберігати квантову інформацію протягом тривалого періоду часу при наявності шуму», - повідомляє він. Однак Гамбетта також визнає, що навіть при поточному стані справ «до створення універсального, стійкого до помилок квантового комп'ютера, що використовує логічні кубіти, все ще далеко». Завдяки таким дослідженням Чайлдс налаштований оптимістично. «Я впевнений, що ми побачимо демонстрацію ще більш успішних експериментів [щодо виправлення помилок], але, швидше за все, буде потрібно ще багато часу, перш ніж ми почнемо використовувати квантові комп'ютери для реальних обчислень».

Життя з помилками

Найближчим часом квантові комп'ютери будуть працювати з помилками. Виникає питання: як з цим жити? Вчені IBM говорять, що в доступному для огляду майбутньому область дослідження «приблизних квантових обчислень» буде зосереджена на пошуку шляхів пристосування до шуму.

Це вимагає створення таких алгоритмів, які будуть видавати правильний результат, ігноруючи помилки. Процес можна порівняти з підрахунком результатів виборів, в якому не враховуються зіпсовані виборчі бюлетені. «Навіть якщо воно і допускає деякі помилки, досить велика і високоякісне квантове обчислення повинно бути ефективніше [класичного]», - каже Гамбетта.

Одне з недавніх стійких до помилок програм технології, судячи з усього, має велику цінність для вчених, ніж чим для світу в цілому: моделювання матеріалів на атомарному рівні. (Фактично, це було мотивацією, яка змусила Фейнмана запропонувати ідею квантових комп'ютерів.) Рівняння квантової механіки описують способи обчислення стабільності або хімічної реакційної здатності (наприклад, у молекул ліків). Але ці рівняння не можуть бути вирішені без використання великої кількості спрощень.

Однак за словами Чайлдса, квантове поведінка електронів і атомів «відносно близько до природного поведінки квантового комп'ютера». Це означає, що можна було б побудувати точну комп'ютерну модель молекули. «Багато членів наукового співтовариства, в тому числі і я, вважають, що перше успішне застосування квантового комп'ютера буде пов'язано з квантової хімією і матеріалознавство», - ділиться Аспуру-Гузик: він був одним з перших, хто почав просувати квантові обчислення в цьому напрямку.

Квантове моделювання доводить свою корисність навіть на тих маленьких квантових комп'ютерах, які доступні нам сьогодні. Команда дослідників, в яку входить і Аспуру-Гузик, розробила алгоритм, який назвали «Варіаційним методом вирішення завдань в квантовій механіці» (далі - ВМР). Цей алгоритм дозволяє знайти найменш енерговитратне стан молекули навіть в галасливих кубітах. На даний момент він може обробляти тільки дуже маленькі молекули з невеликою кількістю електронів. З цим завданням добре справляються і класичні комп'ютери. Але можливості квантових постійно ростуть, як показали Гамбетта і його колеги в вересні минулого року, коли використовували шестікубітное пристрій, щоб розрахувати електронну структуру молекул, таких як гідрид літію та гідрид берилію. Робота стала «значним проривом для квантових наук», як висловився фахівець в галузі хімічної фізики Маркус Райхер з Швейцарської вищої технічної школи Цюріха. «Використання ВМР для моделювання маленьких молекул - відмінний приклад того, як можна застосовувати короткострокові евристичні алгоритми», - вважає Гамбетта.

Але, за словами Аспуру-Гузика, логічні кубіти, здатні виправляти помилки, будуть потрібні ще до того часу, коли квантові комп'ютери обженуть класичні. «Не можу дочекатися моменту, коли здатні на виправлення помилок квантові обчислення стануть реальністю», - прокоментував він.

«Якби у нас було більше двох сотень кубітів, ми могли б робити по-справжньому новаторські речі, - додав Райхер. - А з п'ятьма тисячами кубітів квантовий комп'ютер міг би серйозно вплинути на науку ».

А який у вас обсяг?

Досягти таких цілей неймовірно складно. Незважаючи на всі труднощі, квантові комп'ютери з пятікубітних стали пятідесятікубітнимі всього за рік - цей факт вселяє надію. Проте не потрібно занадто зациклюватися на цих цифрах, тому що вони розповідають лише малу частину історії. Зараз важливіше не скільки у вас кубітів, а як добре вони працюють і наскільки ефективні розроблені вами алгоритми.

Будь-яке квантове обчислення завершується тим, що починається декогеренції, яка перемішує кубіти. Як правило, час декогеренції групи кубітів становить кілька мікросекунд. Кількість логічних операцій, які можна виконати за такий короткий час, залежить від швидкості перемикання квантових воріт. При занадто низькій швидкості стає неважливо, скільки кубітів у вас в розпорядженні. Кількість операцій, необхідних для того чи іншого обчислення, називається глибиною обчислення: алгоритми з низькою глибиною ефективніше, ніж глибокі алгоритми. Однак достеменно невідомо, чи приносять вони користь при обчисленнях.

Більш того, не всі кубіти однаково шумні. Теоретично можливо створити кубіти з низьким рівнем шуму з матеріалів, які знаходяться в так званому «топологічному електронному стані»: якщо використовувати частки в такому стані для кодування двійкової інформації, вона буде захищена від випадкового шуму. У спробі знайти частинки в топологічному стані, дослідники з Microsoft в першу чергу вивчають екзотичні квантові матеріали. Проте немає ніякої гарантії, що їх дослідження увінчаються успіхом.

Щоб позначити потужність квантового обчислення на конкретному пристрої, дослідники з IBM запропонували термін «квантовий обсяг». Це число, яке об'єднує всі важливі чинники: глибину алгоритму, число і зв'язність кубітів, а також інші показники якості квантових воріт (наприклад, гучність). В цілому цей «квантовий обсяг» характеризує потужність квантового обчислення. За словами Гамбетта, зараз необхідно розробити квантово-обчислювальний обладнання, яке дозволить збільшити доступний квантовий обсяг.

Це одна з причин, чому хвалена квантове перевагу - досить смутна ідея. Сама думка про те, що 50-кубітний квантовий комп'ютер перевершить сучасні суперкомп'ютери, звучить привабливо, проте залишається безліч невирішених питань. При вирішенні яких саме завдань квантовий комп'ютер перевершує суперкомп'ютери? Як визначити, чи правильний відповідь отримав квантовий комп'ютер, якщо його не можна перевірити за допомогою класичного пристрою? А що якщо класичний комп'ютер буде ефективніше квантового, якщо знайти більш досконалий алгоритм?

Таким чином, квантовий предпочтение - це концепція, яка требует обережності. Деякі дослідники вважають за краще міркувати про «квантовому перевагу», про стрибок у розвитку квантових технологій, а не про остаточну перемогу квантових комп'ютерів над звичайними. Більш того, більшість намагається не використовувати слово «перевагу», оскільки воно містить негативний політичний і расистський сенс.

Незалежно від назви, якщо вчені продемонструють, що квантові комп'ютери можуть виконувати завдання, з якими не справляються класичні пристрої, то це стане надзвичайно важливим психологічним моментом для даної області. «Демонстрація незаперечного квантового переваги увійде в історію. Це доведе, що квантові комп'ютери дійсно можуть розширити наші технологічні можливості », - впевнений Айзерт.

Можливо, це стане символічною подією, а не кардинальною зміною в області обчислювальної техніки. Проте на це варто звернути увагу. Якщо квантові комп'ютери перевершать звичайні, це станеться не тому, що IBM і Google раптово запустять їх в продаж. Щоб досягти квантового переваги, потрібно налагодити заплутану систему взаємодії між розробниками і користувачами. І останні повинні бути твердо впевнені, що новинку варто спробувати. У прагненні до цієї співпраці, IBM і Google намагаються якомога швидше надати користувачам свої розробки. Раніше IBM пропонувала всім зареєстрованим на сайті доступ до свого 16-кубітному комп'ютера IBM Q. Тепер компанія розробила 20-кубітную версію для корпоративних клієнтів, серед яких JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung і Оксфордський університет. Подібна колаборація не тільки допомагає клієнтам знайти щось корисне і цікаве, але і створює квантово-грамотне співтовариство програмістів, які будуть розробляти нові функції і вирішувати проблеми, нерозв'язані в рамках однієї компанії.

«Щоб область квантових обчислень активно розвивалася, потрібно дати людям можливість використовувати і вивчати квантові комп'ютери, - стверджує Гамбетта. - Зараз всьому науковому і промисловому світу слід зосередитися на одній меті - підготовці до епохи квантових комп'ютерів ».

Оригінал публікації: The Era of Quantum Computing Is Here. Outlook: Cloudy

джерело

Навіть якщо ми незабаром і зробимо крок в епоху квантового переваги, такі рік-два можуть виявитися вирішальними - чи дійсно квантові комп'ютери повністю змінять підхід до обчислень?
Але наскільки саме?
0. Як можна визначити, чи відбулася помилка в роботі кубіта, якщо ви не знаєте, в якому стані він перебував?
Скільки?
Виникає питання: як з цим жити?
А який у вас обсяг?
При вирішенні яких саме завдань квантовий комп'ютер перевершує суперкомп'ютери?
Як визначити, чи правильний відповідь отримав квантовий комп'ютер, якщо його не можна перевірити за допомогою класичного пристрою?
А що якщо класичний комп'ютер буде ефективніше квантового, якщо знайти більш досконалий алгоритм?
Новости
Провайдеры:
  • 08.09.2015

    Batyevka.NET предоставляет услуги доступа к сети Интернет на территории Соломенского района г. Киева.Наша миссия —... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    IPNET

    Компания IPNET — это крупнейший оператор и технологический лидер на рынке телекоммуникаций Киева. Мы предоставляем... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Boryspil.Net

    Интернет-провайдер «Boryspil.net» начал свою работу в 2008 году и на данный момент является одним из крупнейших поставщиков... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    4OKNET

    Наша компания работает в сфере телекоммуникационных услуг, а именно — предоставлении доступа в сеть интернет.Уже... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Телегруп

    ДП «Телегруп-Украина» – IT-компания с 15-летним опытом работы на рынке телекоммуникационных услуг, а также официальный... 
    Читать полностью

  • 08.09.2015
    Софтлинк

    Высокая скоростьМы являемся участником Украинского центра обмена трафиком (UA — IX) с включением 10 Гбит / сек... 
    Читать полностью