Как квантовые компьютеры изменят мир. Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен
Квантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.
За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.
Как работает квантовый компьютер
Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.
В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».
Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.
При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.
Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.
Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.
Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.
Создание квантового компьютера
Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.
Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.
Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.
Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.
Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер
Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.
Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.
Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.
Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.
Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.
Квантовый компьютер в России
Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.
В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.
Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.
Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.
Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.
В итоге
Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.
Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.
Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.
Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.
Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.
До чего дошёл прогресс
В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже - раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше - рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.
Принцип работы квантового компьютера
Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:
- Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
- Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
- Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.
С точки зрения здравого смысла - полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.
В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии - иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.
Где будет применяться новая вычислительная машина
Новый подход в процессе вычислений позволяет работать с огромными массивами данных и выполнять моментальные вычислительные операции. С появлением первых ЭВМ некоторые люди, включая государственных деятелей, имели большой скепсис относительно применения их в народном хозяйстве. Есть и сегодня люди, полные сомнений относительно важности компьютеров принципиально нового поколения. Весьма продолжительное время технические журналы отказывались печатать статьи о квантовых вычислениях, считая это направление обычной мошеннической уловкой для одурачивания инвесторов.
Новый способ вычислений создаст предпосылки для научных грандиозных открытий во всех отраслях. Медицина решит многие проблемные вопросы, которых накопилось в последнее время довольно много. Станет возможным диагностика раковых заболеваний на более раннем этапе заболевания, чем сейчас. Химическая промышленность сможет синтезировать продукты с уникальными свойствами.
Прорыв в космонавтике не заставит себя ждать. Полёты к другим планетам станут таким же обыденным действием, как и ежедневные поездки по городу. Потенциал, который заложен в квантовых вычислениях, безусловно, преобразит нашу планету до неузнаваемости.
Другая отличительная особенность, которой обладают квантовые компьютеры, это способность квантового вычисления быстро подобрать нужный код или шифр. Обычный компьютер выполняет решение математической оптимизации последовательно, перебирая один вариант за другим. Квантовый конкурент работает сразу со всем массивом данных, молниеносно выбирая наиболее подходящие варианты за беспрецедентно короткое время. Банковские операции будут расшифрованы в мгновение ока, что современным вычислительным машинам недоступно.
Однако банковский сектор может не переживать - его тайну спасёт метод квантового шифрования с парадоксом измерения. При попытке вскрыть код произойдёт искажение передаваемого сигнала. Полученная информация не будет иметь никакого смысла. Секретные службы, шпионаж для которых - обычное дело, заинтересованы в возможностях квантовых вычислений.
Трудности конструирования
Сложность заключается в создании условий, при которых квантовый бит сможет бесконечно долго находиться в состоянии суперпозиции.
Каждый кубит представляет собой микропроцессор, который работает на принципах сверхпроводимости и законах квантовой механики.
Вокруг микроскопических элементов логической машины создаётся целый ряд уникальных условий окружающей среды:
- температура 0,02 градуса по Кельвину (-269,98 по Цельсию);
- система защиты от магнитного и электрического излучения (снижает воздействие этих факторов в 50 тысяч раз);
- система теплоотвода и гашения вибраций;
- разрежение воздуха ниже атмосферного давления в 100 миллиардов раз.
Небольшое отклонение окружающей среды вызывает мгновенную потерю кубитами состояния суперпозиции, что приводит к сбою в работе.
Впереди планеты всей
Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.
С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.
Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден - АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.
2014 -начало эры D-Wave systems
Успешный канадский спортсмен Джорди Роуз после сделки с Google и NASA приступил к построению процессора в 1000 кубитов. Будущая модель по скорости и объёмам вычислений превзойдёт первый коммерческий прототип минимум в 300 тысяч раз. Квантовый компьютер, фото которого расположено ниже, является первым в мире коммерческим вариантом принципиально новой технологии вычислений.
Заняться научными разработками его побудило знакомство в университете с трудами Колина Уильямса по квантовым вычислениям. Надо сказать, что Уильямс сегодня работает в корпорации Роуза руководителем бизнес-проектов.
Прорыв или научный обман
Что такое квантовые компьютеры, до конца не знает и сам Роуз. За десять лет его команда прошла путь от создания процессора в 2 кубита до сегодняшнего первого коммерческого детища.
С самого начала исследований Роуз стремился создать процессор с минимальным количеством кубитов в 1 тысячу. И он обязательно должен был иметь коммерческий вариант - чтобы продать и заработать денег.
Многие, зная одержимость и коммерческую хватку Роуза, пытаются обвинить его в подлоге. Якобы за квантовый выдаётся самый обычный процессор. Этому способствует и то, что феноменальное быстродействие новая техника проявляет при выполнении определённых типов вычислений. В остальном же ведёт себя как вполне заурядный компьютер, только очень дорогой.
Когда же они появятся
Ждать осталось недолго. Исследовательская группа, организованная совместными приобретателями прототипа, в скором будущем даст отчёт о результате исследований на D-Wave.
Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.
Для того чтобы более или менее полноценно раскрыть суть квантовых
компьютерных технологий, коснемся сперва истории квантовой теории.
Зародилась она благодаря двум ученым, чьи результаты исследования были удостоены Нобелевских премий: открытие М. Планком кванта в 1918 г. и А. Эйнштейном фотона в 1921 г.
Годом зарождения идеи квантового компьютера стал 1980 г., когда Беньофу удалось успешно продемонстрировать на практике правоту квантовой теории.
Ну а первый прототип квантового компьютера был создан Гершенфельдом и Чуангом в 1998 г. в Массачусетском технологическом институте (MTI). Этой же группой исследователей созданы в два последующих года более совершенные модели.
Для неспециалиста квантовый компьютер – это что-то совершенно фантастическое по масштабам, это вычислительная машина, перед которой обычный компьютер все равно что счеты перед компьютером. И, разумеется, это что-то очень далекое от воплощения.
Для человека, который связан с квантовыми компьютерами, – это устройство, общие принципы действия которого более или менее понятны, однако существует масса проблем, которые следует решить, прежде чем можно будет воплотить его «в железе», и сейчас множество лабораторий по всему миру эти препятствия пытаются преодолеть.
В области квантовых технологий в прошлом уже были достигнуты успехи и частными компаниями, в том числе IBM и DWays.
О новейших достижениях в этой области они регулярно сообщают и сегодня. В основном исследования выполняются японскими и американскими учеными. Япония в стремлении к мировому лидерству в области аппаратного и программного обеспечения расходует огромные средства на разработки в данной области. По сообщениям вице-президента Hewlett-Packard, до 70% всех исследований выполнены в стране восходящего солнца. Квантовые компьютеры являются одним из шагов их целенаправленной компании по завладению лидерством на мировом рынке.
Чем объясняется стремление к овладению этими технологиями? Их бесспорными весомыми преимуществами над полупроводниковыми компьютерами!
ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?
Квантовый компьютер – это устройство для вычислений, которое работает на основе квантовой механики.
На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, которое невозможно создать с учетом имеющихся данных в квантовой теории.
Квантовый компьютер, для вычисления использует не классические алгоритмы, а более сложные процессы квантовой природы, которые еще называют квантовыми алгоритмами. Эти алгоритмы используют квантовомеханические эффекты:квантовую запутанность и квантовый параллелизм.
Чтобы понять, зачем вообще необходим квантовый компьютер, необходимо представить принцип его действия.
Если обычный компьютер работает за счет проведения последовательных операций с нулями и единицами, то квантовый компьютер использует кольца из сверхпроводящей пленки. Ток может течь по этим кольцам в разных направлениях, поэтому цепочка таких колец может реализовывать одновременно намного больше операций с нулями и единицами.
Именно большая мощность является основным преимуществом квантового компьютера. К сожалению, эти кольца подвержены даже самым малейшим внешним воздействиям, в результате чего направление тока может меняться, и расчеты оказываются в таком случае неверными.
ОТЛИЧИЕ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА ОТ ОБЫЧНОГО
главным отличием квантовых компьютеров от обычных является то, что сохранение, обработка и передача данных происходит не с помощью «битов», а «кубитов» – попросту говоря «квантовых битов». Как и обычный бит, кубит может находиться в привычных нам состояниях «|0>» и «|1>», а кроме этого – в состоянии суперпозиции A·|0> + B·|1>, где A и B – любые комплексные числа, удовлетворяющие условию | A |2 + | B |2 = 1.
ТИПЫ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
Можно выделить два типа квантовых компьютеров. И те, и другие основаны на квантовых явлениях, только разного порядка.
компьютеры, в основе которых лежит квантование магнитного потока на нарушениях сверхпроводимости- Джозефсоновских переходах. На эффекте Джозефсона уже сейчас делают линейные усилители, аналого-цифровые преобразователи, СКВИДы и корреляторы.Эта же элементная база используется в проекте создания петафлопного (1015 оп./с) компьютера. Экспериментально достигнута тактовая частота 370 ГГц, которая в перспективе может быть доведена до 700 ГГц.Однако время расфазировки волновых функций в этих устройствах сопоставимо со временем переключения отдельных вентилей, и фактически на новых, квантовых принципах реализуется уже привычная нам элементная база - триггеры, регистры и другие логические элементы.
Другой тип квантовых компьютеров, называемых еще квантовыми когерентными компьютерами, требует поддержания когерентности волновых функций используемых кубитов в течение всего времени вычислений - от начала и до конца (кубитом может быть любая квантомеханическая система с двумя выделенными энергетическими уровнями). В результате, для некоторых задач вычислительная мощность когерентных квантовых компьютеров пропорциональна2N, где N - число кубитов в компьютере. Именно последний тип устройств имеется в виду, когда говорят о квантовых компьютерах.
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕЙЧАС
Но небольшие квантовые компьютеры создаются уже сегодня. Особенно активно в этом направлении работает компания D-Wave Systems, которая еще в 2007 году создала квантовый компьютер из 16 кубитов. Этот компьютер успешно справлялся с задачей рассаживания за столом гостей, исходя из того, что некоторые из них друг друга недолюбливали. Сейчас компания D-Wave Systems продолжает развитие квантовых компьютеров.
Группе физиков из Японии, Китая и США впервые удалось построить на практике квантовый компьютер по архитектуре фон Неймана - то есть с физическим разделением квантового процессора и квантовой памяти. В настоящий момент для практической реализации квантовых компьютеров (вычислительных машин, в основу которых положены необычные свойства объектов квантовой механики) физики используют разного рода экзотические объекты и явления - захваченные в оптическую ловушку ионы, ядерный магнитный резонанс. В рамках новой работы ученые полагались на миниатюрные сверхпроводящие схемы - возможность реализации квантового компьютера с помощью таких схем была описана в Nature в 2008 году.
Собранная учеными вычислительная машина состояла из квантовой памяти, роль которой выполняли два микроволновых резонатора, процессора из двух кубит, соединенных шиной (ее роль тоже играл резонатор, а кубиты представляли собой сверхпроводящие схемы), и устройств для стирания данных. При помощи этого компьютера ученые реализовали два основных алгоритма - так называемое квантовое преобразование Фурье, и конъюнкцию при помощи квантовых логических элементов Тоффоли:
Первый алгоритм представляет собой квантовый аналог дискретного преобразования Фурье. Его отличительной особенностью является гораздо меньшее (порядка n2) количество функциональных элементов при реализации алгоритма по сравнению с аналогом (порядка n 2n). Дискретное преобразование Фурье применяется в самых разных областях человеческой деятельности - от исследования дифференциальных уравнений в частных производных до сжатия данных.
В свою очередь квантовые логические элементы Тоффоли представляют собой базовые элементы, из которых, с некоторыми дополнительными требованиями, можно получить любую булеву функцию (программу). Отличительной особенностью этих элементов является обратимость, что, с точки зрения физики, среди прочего позволяет минимизировать тепловыделения устройства.
По словам ученых, созданная ими система обладает одним замечательным плюсом - она легко масштабируется. Таким образом, она может служить своего рода строительным блоком для будущих компьютеров. По словам исследователей, новые результаты наглядно демонстрируют перспективность новой технологии.