Помните проблему 100 человек в двух автобусах, которую не смогли решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта проблема подобна разбиванию семени! То есть, компьютер одновременно находится в 2 в степени 100 состояниях, как показано ниже:
Блеск и нищета квантовых вычислений
Квантовые компьютеры мощностью в сотни и тысячи кубитов вот-вот поступят в массовое производство — к такому выводу приходишь, просматривая по диагонали новостные ленты популярных сайтов. Действительно, переход от рабочих прототипов к серийным машинам может занять годы или даже десятилетия.
В 2019 году исследователи Google объявили, что прототип квантового компьютера Sycamore с 53 ключами может за 200 секунд выполнить вычисления, на которые у самого мощного на тот момент суперкомпьютера IBM Summit (с 9 216 CPU и 27 648 GPU) ушло бы около 10 000 лет. Другими словами, оказалось, что скорость квантовых компьютеров (по сравнению с передовыми машинами на основе архитектуры фон Неймана) увеличилась в 158 миллионов раз.
Это звучит настолько вдохновляюще, что возникает вопрос, почему за почти три года, прошедшие с тех пор, квантовые компьютеры еще не начали вытеснять классические машины — по крайней мере, в списке самых мощных суперкомпьютеров мира.
Ловушка для улавливания положительных ионов, которые действуют как кубиты, под воздействием лазерного излучения в глубоком вакууме (Источник: Чикагский университет).
⇡#Где же логика?
Конечно, новая технология требует значительных инвестиций, но если она гарантирует увеличение вычислительной мощности в 158 миллионов раз — какой рациональный капиталист (не в ругательном, а в чисто экономическом смысле этого слова) позволит себе удержаться от инвестиций в такую перспективу роста?
Почему же тогда Конгресс США недавно одобрил выделение 52 миллиардов долларов на строительство новых предприятий по производству полупроводников в стране? Перед лицом столь убедительных достижений в области квантовых вычислений, не похоже ли это на инвестирование в новые конные и троллейбусные заводы в 1930-х годах вместо строительства асфальтированных дорог и бензоколонок для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания?
Для охлаждения квантового процессора IBM Eagle до температуры, близкой к нулю, потребуется настоящий суперкулер (источник: IBM).
И все же прогресс в области квантовых вычислений, похоже, не остановился с тех пор. Тем временем компания IBM представила квантовый чип Eagle, который содержит 127 кубитов, впервые доведя количество кубитов в одном вычислительном устройстве до более чем ста. Компания QuEra Computing, основанная физиками из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института, объявила о создании квантового симулятора с 256 ключами. Наконец, сама компания Google продолжает совершенствовать свой квантовый вычислительный механизм Sycamore, улучшая механизмы коррекции ошибок, чтобы достичь новых высот производительности.
Главный вычислительный узел Sycamore выглядит более чем впечатляюще (источник: Google).
Тем не менее, твердотельные компьютеры не уступят свое место в обозримом будущем: Хотя о новых разработках на квантовом фронте объявляется с завидной регулярностью, основным вычислительным инструментом по-прежнему остаются старомодные машины, основанные на архитектуре фон Неймана.
Более того, оказалось, что пресловутая задача, которую Sycamore так триумфально выполнил в 2019 году, не так уж недостижима для классических компьютеров: Пан Чжан и его коллеги из Института теоретической физики Китайской академии наук недавно показали, что даже не майнинговой машине с полудюжиной видеокарт потребительского класса потребуется около 15 часов для решения этой задачи. Любого суперкомпьютера из списка 100 лучших компьютеров мира было бы достаточно, чтобы сделать это за несколько десятков секунд.
Так может ли квантовый компьютер (скажем, тот, что слева) превзойти компьютер фон Неймана в обозримом будущем? (Источник: La boite verte)
⇡#Стопроцентно натуральная аналогия
Важно понимать, что квантовые вычисления качественно отличаются от классических вычислений. Эволюция от механических машин к радиолампам и от них к транзисторам была количественной: подход фон Неймана к организации вычислений не изменился, алгоритмы де-факто остались прежними. Идея квантового компьютера возникла не из потребности ускорить выполнение классических алгоритмов, а из необходимости адекватного моделирования реальных физических явлений с учетом квантовых явлений.
Типичная «визуальная» иллюстрация разницы между двоичным битом и кубитом. Все выглядит ясно, но абсолютно ничего не ясно (источник: Medium).
Известна почти точная дата, когда был придуман термин «квантовый компьютер». В 1981 году в Массачусетском технологическом институте состоялась конференция по физике и компьютерам, на которой Ричард Фейнман, чье имя знакомо каждому, кто хотя бы бегло интересовался квантовой физикой, выступил с докладом под названием «Моделирование физики». Ученый сформулировал и задокументировал важнейший принцип, на котором должна основываться компьютерная система, призванная моделировать реальные квантовые явления: «Компьютер будет делать точно так же, как природа».
Другими словами, численное моделирование квантовых явлений требует системы, основанной на квантовых принципах. Добросовестный исследователь, Фейнман в своем докладе сослался не только на фундаментальную теорему Дж.С. Белла (впервые опубликованную в 1964 году) о несводимости квантово-механических явлений к классическим вычислительным инструментам, но и на две более поздние работы по этой теме за «железным занавесом» Р. — Термодинамические модели обработки информации. П. Поплавского (1975) и «Вычислимое и невычислимое» Ю.И. Манина (1980) указывали на принципиальную невозможность моделирования поведения квантовых систем на обычных компьютерах из-за чрезвычайной сложности алгоритмизации квантовых явлений (особенно принципа суперпозиции).
Ричард Фейнман объясняет квантовую физику с помощью пальцев, 1967 год (Источник: Los Angeles Times).
Даже если не иметь дело с квантовой физикой, а просто моделировать поведение большого количества относительно классических частиц, ограничения архитектуры фон Неймана становятся более чем очевидными. Если, например, R частиц могут занимать N позиций в пространстве, то весь диапазон состояний такой системы определяется как N R ( N — R ) — адекватное моделирование процессов в такой системе с R и N порядка 100 уже является фактически неразрешимой задачей даже для самых современных суперкомпьютеров.
Самой важной особенностью квантового процесса, его самым главным отличием от явлений, известных нам из окружающего нас макромира, является принцип суперпозиции (точнее, принцип существования суперпозиции состояний). Этот принцип подразумевает возможность нахождения квантовой системы во всем диапазоне доступных ей взаимоисключающих состояний одновременно — до тех пор, пока ее состояние не будет измерено наблюдателем, что приведет к коллапсу квантовой системы в однозначную систему. Это кот Шредингера, да.
Это звучит настолько вдохновляюще, что возникает вопрос, почему за почти три года, прошедшие с тех пор, квантовые компьютеры еще не начали вытеснять классические машины — по крайней мере, в списке самых мощных суперкомпьютеров мира.
Что такое квантовый компьютер?
Появление новых задач, превышающих возможности обычных компьютеров, заставило искать новые возможности. И в качестве альтернативы обычным компьютерам появился квантовый компьютер. Квантовый компьютер — это вычислительная технология, основанная на элементах квантовой механики. Фундаментальные теоремы квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Их появление позволило решить многие физические проблемы, которые не могли быть решены в классической физике.
Хотя квантовая теория существует уже второе столетие, она до сих пор понятна лишь узкому кругу специалистов. Но есть реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли — лазерные технологии, томография. А в конце прошлого века теорию квантовых компьютеров разработал советский физик Ю.А. Гаврилов. Пять лет спустя Дэвид Дойч сформулировал идею квантовой машины.
Существует ли квантовый компьютер?
Но применение этих идей оказалось не таким простым. Время от времени появляются сообщения о том, что создан еще один квантовый компьютер. Гиганты в области информатики работают над созданием таких вычислительных машин:
- Канадская компания D-Wave является первой компанией, которая производит функционирующие квантовые компьютеры. Среди экспертов, однако, существует спорный вопрос, являются ли квантовые компьютеры действительно квантовыми компьютерами и какие преимущества они дают.
- Компания IBM разработала квантовый компьютер и предоставила его пользователям Интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. Компания планирует разработать модель, способную решать практические задачи, к 2025 году.
- Компания Google объявила о планах запустить в конце этого года компьютер, который продемонстрирует превосходство квантовых компьютеров над обычными.
- В мае 2017 г. китайские ученые в Шанхае заявили, что создали самый мощный в мире квантовый компьютер, превосходящий свои аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
- В июле 2017 года. на Московской конференции по квантовым технологиям было объявлено о создании квантового компьютера размером в 51 кубическую единицу.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного?
Фундаментальное отличие от квантового компьютера заключается в подходе к процессу вычислений.
- В обычном процессоре все вычисления основаны на битах, которые находятся либо в состоянии 1, либо в состоянии 0. Поэтому вся работа сводится к анализу большого количества данных для выполнения заданных условий. Квантовый компьютер основан на кубитах (квантовых битах). Их особенность в том, что они могут принимать состояния 1, 0, а также 1 и 0 одновременно.
- Возможности квантового компьютера значительно расширяются, поскольку нет необходимости искать правильный ответ в наборе. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной вероятностью.
