По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Представляется логичным, что грядет эпоха квантовых компьютеров, с помощью которых скорость вычислительных систем может повыситься на несколько порядков.
Идея квантовых компьютеров сравнительно нова: в 1981 году Пол Бениофф впервые теоретически описал принципы работы квантовой машины Тьюринга.
В 1930-х Алан Тьюринг впервые описал теоретическое устройство, представляющее собой бесконечную ленту, разделенную на маленькие ячейки. Каждая ячейка может содержать в себе символ 1 или 0, или же остается пустой.
Управляющее устройство перемещается по ленте, считывая символы и записывая новые. Из набора таких символов составляется программа, которую машина должна выполнить.
В квантовой машине Тьюринга, предложенной Бениоффом, принципы работы остаются теми же, с той разницей, что как лента, так и управляющее устройство находятся в квантовом состоянии.
Это значит, что символы на ленте могут быть не только 0 и 1, но и суперпозициями обоих чисел, т. е. 0 и 1 одновременно. Таким образом, если классическая машина Тьюринга способна одновременно исполнять лишь одно вычисление, то квантовая занимается несколькими вычислениями параллельно.
Сегодняшние компьютеры работают по тому же принципу, что и нормальные машины Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые могут содержать суперпозиции обоих состояний.
Работа над частью квантового компьютера D-Wave
©D-Wave Systems
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Фактически, если сделать элементарные частицы носителями информации, с помощью них можно построить компьютерную память и процессоры нового поколения.
Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, по мнению физика Дэвида Дойча, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений, в то время, как современные процессоры работают лишь с одним единственным.
30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).
Другое важное квантовомеханическое явление, которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется «запутанностью». Основная проблема считывания информации из квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом.
Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.
Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.
В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например, измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.
Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.
В один прекрасный день квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, подобно тому, как транзисторы пришли на смену вакуумным трубкам. Однако современные технологии пока еще не позволяют строить полноценные квантовые компьютеры.
Сборка процессора квантового компьютера D-Wave Two
©D-Wave Systems
Тем не менее, с каждым годом исследователи объявляют о новых достижениях в области квантовых технологий, и надежда, что когда-нибудь квантовые компьютеры смогут превзойти обычные, продолжает крепнуть.
1998
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
2000
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
2001
Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.
2005
В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.
2007
Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.
С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.
О квантовых вычислениях, по крайней мере в теории, говорят уже несколько десятилетий. Современные типы машин, использующие неклассическую механику для обработки потенциально немыслимых объемов данных, стали большим прорывом. По мнению разработчиков, их реализация оказалась, пожалуй, самой сложной технологией из когда-либо созданных. Квантовые процессоры работают на уровнях материи, о которых человечество узнало всего 100 лет назад. Потенциал таких вычислений огромен. Использование причудливых свойств квантов позволит ускорить расчеты, поэтому многие задачи, которые в настоящее время классическим компьютерам не по силам, будут решены. И не только в области химии и материаловедения. Уолл-стрит также проявляет заинтересованность.
Инвестиции в будущее
CME Group проинвестировала ванкуверскую компанию 1QB Information Technologies Inc., разрабатывающую программное обеспечение для процессоров квантового типа. По мнению инвесторов, такие вычисления, вероятно, окажут наибольшее влияние на отрасли, которые работают с большими объемами чувствительных ко времени данных. Примером таких потребителей являются финансовые учреждения. Goldman Sachs инвестировал в D-Wave Systems, а компания In-Q-Tel финансируется ЦРУ. Первая производит машины, которые делают то, что называется «квантовым отжигом», т. е. решает низкоуровневые задачи оптимизации с помощью квантового процессора. Intel тоже занимается инвестированием в данную технологию, хотя считает ее реализацию делом будущего.
Зачем это нужно?
Причина, по которой квантовые вычисления являются столь захватывающими, кроется в их идеальном сочетании с машинным обучением. В настоящее время это основное приложение для подобных расчетов. Отчасти самой идеи квантового компьютера - использование физического устройства для поиска решений. Иногда данную концепцию объясняют на примере игры Angry Birds. Для имитации гравитации и взаимодействия сталкивающихся объектов ЦПУ планшета использует математические уравнения. Квантовые процессоры ставят такой подход с ног на голову. Они «бросают» несколько птиц и смотрят, что происходит. В микрочип записывается птицы, их бросают, какова оптимальная траектория? Затем проверяются все возможные решения или, по крайней мере, очень большое их сочетание, и выдается ответ. В квантовом компьютере не математик, вместо него работают законы физики.
Как это функционирует?
Основные строительные блоки нашего мира - квантово-механические. Если посмотреть на молекулы, то причина, по которой они образуются и остаются стабильными - взаимодействие их электронных орбиталей. Все квантово-механические расчеты содержатся в каждой из них. Их количество растет экспоненциально росту числа моделируемых электронов. Например, для 50 электронов существует 2 в 50-й степени возможных вариантов. Это феноменально поэтому рассчитать его сегодня нельзя. Подключение теории информации к физике может указать путь к решению таких задач. 50-кубитовному компьютеру это по силам.
Заря новой эры
Согласно Лэндону Даунсу, президенту и соучредителю компании 1QBit, квантовый процессор - это возможность использовать вычислительные мощности субатомного мира, что имеет огромное значение для получения новых материалов или создания новых лекарств. Происходит переход от парадигмы открытий к новой эре дизайна. Например, квантовые вычисления можно использовать для моделирования катализаторов, которые позволяют извлекать углерод и азот из атмосферы, и тем самым помочь остановить глобальное потепление.
На передовой прогресса
Сообщество разработчиков данной технологии чрезвычайно взволновано и занято активной деятельностью. Команды по всему миру в стартапах, корпорациях, университетах и правительственных лабораториях наперегонки строят машины, в которых используются различные подходы к обработке квантовой информации. Созданы сверхпроводящие кубитовые чипы и кубиты на захваченных ионах, которыми занимаются исследователи из Университета штата Мэриленд и Национального института стандартов и технологий США. Microsoft разрабатывает топологический подход под названием Station Q, целью которого является применение неабелева аниона, существование которого еще окончательно не доказано.
Год вероятного прорыва
И это только начало. По состоянию на конец мая 2017 г. количество процессоров квантового типа, которые однозначно делают что-то быстрее или лучше, чем классический компьютер, равно нулю. Такое событие установит «квантовое превосходство», но пока оно не произошло. Хотя вероятно, что это может свершиться еще в этом году. Большинство инсайдеров говорит, что явным фаворитом является группа Google во главе с профессором физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джоном Мартини. Ее цель - достижение вычислительного превосходства с помощью 49-кубитного процессора. К концу мая 2017 г. команда успешно тестировала 22-кубитный чип в качестве промежуточного шага к разборке классического суперкомпьютера.
С чего все началось?
Идее использования квантовой механики для обработки информации уже десятки лет. Одно из ключевых событий произошло в 1981 году, когда IBM и MIT совместно организовали конференцию по физике вычислений. Знаменитый физик предложил построить квантовый компьютер. По его словам, для моделирования следует воспользоваться средствами квантовой механики. И это прекрасная задача, поскольку не выглядит такой простой. У квантового процессора принцип действия основан на нескольких странных свойствах атомов - суперпозиции и запутанности. Частица может находиться в двух состояниях одновременно. Однако при измерении она окажется только в одном их них. И невозможно предугадать, в каком, кроме как с позиции теории вероятности. Этот эффект лежит в основе мысленного эксперимента с котом Шредингера, который находится в коробке одновременно живым и мертвым до тех пор, пока наблюдатель украдкой туда не заглянет. Ничто в повседневной жизни не работает подобным образом. Тем не менее, около 1 млн экспериментов, проведенных с начала ХХ века, показывают, что суперпозиция действительно существует. И следующим шагом будет выяснение того, как использовать эту концепцию.
Квантовый процессор: описание работы
Классические биты могут принимать значение 0 или 1. Если пропустить их строку через «логические вентили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображения и т. п. Кубит же может принимать значения 0, 1 или оба одновременно. Если, скажем, 2 кубита запутаны, то это делает их совершенно коррелированными. Процессор квантового типа может использовать логические вентили. Т. н. вентиль Адамара, например, помещает кубит в состояние совершенной суперпозиции. Если суперпозицию и запутанность совместить с умно расположенными квантовыми вентилями, то начинает раскрываться потенциал субатомных вычислений. 2 кубита позволяют исследовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процессора таков, что выполнение логической операции дает возможность работать со всеми положениями сразу. И число доступных состояний равно 2 в степени количества кубитов. Так что, если сделать 50-кубитный универсальный квантовый компьютер, то теоретически можно исследовать все 1,125 квадриллиона комбинаций одновременно.
Кудиты
Квантовый процессор в России видят несколько иначе. Ученые из МФТИ и Российского квантового центра создали «кудиты», представляющие собой несколько «виртуальных» кубитов с различными «энергетическими» уровнями.
Амплитуды
Процессор квантового типа обладает тем преимуществом, что квантовая механика базируется на амплитудах. Амплитуды подобны вероятности, но они также могут быть отрицательными и комплексными числами. Так что, если необходимо рассчитать вероятность события, можно сложить амплитуды всевозможных вариантов их развития. Идея квантовых вычислений заключается в попытке настройки таким образом, чтобы некоторые пути к неправильным ответам имели положительную амплитуду, а некоторые - отрицательную, и поэтому они бы компенсировали друг друга. А пути, ведущие к правильному ответу, имели бы амплитуды, которые находятся в фазе друг с другом. Хитрость в том, что необходимо все организовать, не зная заранее, какой ответ правильный. Так что экспоненциальность квантовых состояний в сочетании с потенциалом интерференции между положительными и отрицательными амплитудами является преимуществом вычислений данного типа.
Алгоритм Шора
Есть много задач, которые компьютер не в состоянии решить. Например, шифрование. Проблема заключается в том, что не так легко найти простые множители 200-значного числа. Даже если ноутбук работает с отличным ПО, то, возможно, придется ждать годы, чтобы найти ответ. Поэтому еще одной вехой в квантовых вычислениях стал алгоритм, опубликованный в 1994 г. Питером Шором, теперь профессором математики в MIT. Его метод заключается в поиске множителей большого числа с помощью квантового компьютера, которого тогда еще не существовало. По сути, алгоритм выполняет операции, которые указывают на области с правильным ответом. В следующем году Шор открыл способ квантовой коррекции ошибок. Тогда многие поняли, что это - альтернативный способ вычислений, который в некоторых случаях может быть более мощным. Тогда последовал всплеск интереса со стороны физиков к созданию кубитов и логических вентилей между ними. И вот, два десятилетия спустя, человечество стоит на пороге создания полноценного квантового компьютера.
Квантовый компьютер - вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На настоящий момент были практически реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.
Как пишет редакция издания Science Alert, группа специалистов из Университета Вены смогла разработать первый в истории квантовый роутер и даже провела первые испытания нового устройства. Это первое устройство, которое может не только принимать запутанные фотоны, но и передавать их. Кроме того, схема, используемая в роутере, может стать основой для создания квантового интернета.
Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.
Что такое квантовый компьютер?
Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.
Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.
Существует ли квантовый компьютер?
Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:
- D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
- IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
- Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
- В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
- В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного?
Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.
- В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
- Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.
Для чего нужен квантовый компьютер?
Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.
Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.
Как устроен квантовый компьютер?
Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:
- кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
- отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
- ионы;
- фотоны;
- разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.
Квантовый компьютер - принцип работы
Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:
- принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
- квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.
Кто изобрел квантовый компьютер?
Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.
Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.
