Профессор из Google – о создании квантовых суперкомпьютеров

Фото: m24.ru/Ада Адамова

Каждые два года мощность и производительность электронных устройств удваивается, так гласит закон Мура. Это говорит о том, что технологии развиваются стремительными темпами, а потребность в более мощных устройствах растет. Таким решением может стать квантовый компьютер. Своеобразие законов квантового мира дает преимущества такому компьютеру, который за счет квантового ускорения будет быстрее классического в тысячи раз и расширит возможности современных ЭВМ.

При помощи квантового компьютера можно за считанные минуты можно моделировать и решать задачи, которые недоступны классическому. Чтобы найти решение, квантовому компьютеру мощностью 1000 кубит достаточно затратить несколько минут, тогда как классическому потребуется миллиарды лет.

Для обработки информации классический компьютер использует бинарный код, который имеет два логических состояния – "ноль" или "единица". Это значит, что объекты могут находиться в определенном месте либо не находиться вообще. Работа квантового компьютера основана на принципе суперпозиции и вместо битов используются кубиты (квантовые биты), которые одновременно могут находиться в различных состояниях. Электрон может находиться в любой точке орбиты и одновременно в разных точках, также одновременно в состоянии покоя и в возбужденном состоянии. Квантовый компьютер позволяет рассчитывать два случая одновременно. С увеличением количества кубитов вычислительная мощность квантового компьютера растет.

В каких областях найдет применение квантовый компьютер?

Криптография 

Квантовый компьютер обеспечивает безопасность, которая основана на принципе квантовой спутанности. Стойкость шифра квантового ЭВМ экспоненциально растет с увеличением длины ключа. Шифровка информации у такого компьютера происходит за счет того, что он может определить, была ли попытка перехвата. Квантовая природа устройства позволяет ограничить возможности потенциального взломщика: при попытке перехвата данных он вносит шум, который регистрируется.

Квантовая криптография. Фото:m24.ru/Ада Адамова 

Искусственный интеллект

Прототип человеческого мозга, подкрепленный квантовым компьютером, совершит переворот в каждой отрасли – от машиностроения до медицины. В последнем случае многие медицинские проблемы будут решены, если удастся расшифровать генетический код.

Финансовое моделирование

Финансовый рынок – одна из самых сложных и непредсказуемых систем современности. Инвесторы заинтересованы в оценке распределения результатов при большом количестве сценариев. Случайность, присущая квантовым компьютерам, позволит справиться с такой задачей.

Прогнозирование погоды

Машина сможет предсказать природные явления разрушительного характера и предупредить людей о надвигающейся угрозе. Также она подойдет для создания совершенной климатической модели, и позволит  узнать, как человек способен влиять на окружающую среду. Пока классический компьютер же будет прогнозировать погоду, она успеет измениться.

Физика частиц

Углубленное изучение физики с использованием квантовых компьютеров может открыть новые законы природы, о которых ученым еще пока ничего не известно.

Фото: UC Santa Barbara/Julian Kelly

Почему квантовых компьютеров нет в каждом доме?

О сложностях в разработке квантовых компьютеров рассказал в рамках Международной конференции по квантовым вычислениям профессор и руководитель лаборатории в Google Джон Мартинис.

"Создать полезный квантовый компьютер очень сложно и нет гарантий, что мы это сделаем. Основная причина, почему это тяжело, потому что у нас есть классические компьютеры. Классический традиционный суперкомпьютер, который очень мощный, является нашим конкурентом. Какие у нас шансы добиться в этом успеха? Здесь квантовая физика работает на нас. В мобильном телефоне триллион транзисторов – это огромное количество вычислительной мощности и если это все объединить в центре обработки данных или в суперкомпьютере, то получится мощная машина, которая имеет количество транзисторов, приближающегося к числу Авогадро.

Машинное обучение требует большого количества вычислительной мощности. Ученые задумываются, как продолжать эту работу, потому что сделать это становится все труднее. Согласно закону Мура, примерно каждые два года вычислительные мощности удваивались, а за последние 50 лет они нарастала в геометрической прогрессии. Закон исчерпал себя, потому что вычислительные мощности перестали расти так быстро. Мы должны это учитывать, и думаем, как продолжать наращивание компьютерных мощностей. Google заинтересован в этом, потому что создание квантовых компьютеров позволит получить экспоненциальный прирост вычислительной мощности.

Как все это работает: квантовая механика рассматривается как раздел физики, которая описывает микроскопические частицы – такие, как атомы. По закону квантовой механики мы все имеем какой-то размер, существует электрон и протон, которые по идее должны притянуться друг к другу и согласно классическим законам физики все электроны прилипли бы к протонам, вещество сжалось бы и не имело никакого размера. Но благодаря этим законам электроны находятся на расстоянии от протона, и поэтому вещество имеет размер. Электрон имеет неопределенную структуру, у него есть такая природа, что он может быть случайно распределен вокруг ядра и эту случайность квантовой физики трудно описать. Но каким-то образом электрон распределяется по орбите вокруг ядра водорода.

Благодаря этому мы можем строить компьютеры. Электрон, находясь рядом с ядром, испускает волны, которые напоминают струны скрипки в зависимости от частоты асцеляции этой струны. Также имеются разные тона и в квантовой механике возможны разные состояния электрона. У электрона также может быть возбужденное состояние и мы можем использовать два этих состояния для расчетов.

Мы можем разработать систему, которая одновременно вычисляет оба эти случая: в состоянии покоя и в возбужденном. И вместо классических компьютеров, которые считают сначала один пример, потом другой, можно разработать компьютер, который высчитывает одновременно эти два состояния. Это называется состояние кубита. Электрон может находиться в любой точке орбиты и одновременно в разных точках, также одновременно в состоянии покоя и в возбужденном состоянии, благодаря этому можно производить расчеты. Это значит, что при одном кубитовом расчете можем не рассчитывать отдельно на какие-то задачи и при нуле и при единице. Квантовый компьютер позволяет рассчитывать два случая одновременно, то есть это в два раза быстрее, чем классический компьютер. Далее появляется два кубита, они находятся в этом двойном состоянии, вдвоем эти кубиты могут иметь четыре состояния, которые происходят одновременно.

Существуют параллельные вычисления, которые в четыре раза мощнее. Когда мы добавляем кубит, вычислительная мощность увеличивается в два раза. Мы начинаем из двух, потом переходим до четырех, при трех кубитах вычислительная мощность снова удвоится и будет восемь, а четыре кубита – это параллельный процессинг шестнадцати сценариев. С ростом количества кубитов вычислительная мощность квантового компьютера растет в геометрической прогрессии. Предположим, есть пятьдесят кубитов. В этом случае мощность компьютера два в пятидесятой степени кубитов – это много триллионов, примерная мощность суперкомпьютеров. Если будет триста кубитов – это больше, чем количество атомов во вселенной. С таким количеством кубитов можно осуществить параллельные расчеты, а классический компьютер такого размера никогда не будет построен, даже в Google. Это работа с действительно большими объемами данных.

Сможем ли мы построить компьютер из пятидесяти кубитов? С помощью квантового компьютера можно рассчитывать такое количество случаев. Мы хотим получить большее количество кубитов, но сложность в том, что необходимо проконтролировать разные атомы. Мы делали предсказания для девяти кубитов, в том числе и для меньшего количества. Выяснилось, что предсказания практически идеальны. Точность с ростом кубитов немного уменьшается, но, тем не менее, здесь квантовая физика работает очень хорошо. Точность уменьшается, потому что в кубитах есть несовершенства: могут попасть микроволны или испортиться их состояние. Если в одном месте произойдет ошибка, то получим неточный результат. Чем больше кубитов, тем больше вероятность ошибки и если сделаем больше кубитов, то, соответственно, больше возможности для ошибки. Это позволяет нам показать, как хорошо работает наш квантовый компьютер.

Сейчас мы проводим испытания квантового компьютера с 45 кубитами. Это то, что мы можем достичь, если работаем с суперкомпьютером. Если квантовый компьютер с 45 кубитами будет работать, то он будет таким же мощным, как классический суперкомпьютер.

Учитывая те данные, которые у нас есть, сейчас это свидетельствует о том, что мы можем сделать суперквантовый компьютер. Мы рассчитываем в конце этого года завершить работу над квантовым компьютером из 45 или 50 кубитов и надеемся, что когерентность будет достаточная".

Фотодетектор. Фото: m24.ru/Ада Адамова

Какое максимальное число кубитов удалось создать?

Для полноценного квантового компьютера нужны тысячи кубит, а современные прототипы не достигают и сотни.

На сегодняшний день у самого мощного квантового компьютера основа из 51-кубитного чипа, он был создан физиками из России и США. Ученые сравнили результаты расчетов, которые были проведены на квантовом и классическом компьютере. Было решено несколько физических задач, сложных для моделирования при помощи традиционных суперкомпьютеров. Результаты совпали и предсказали ранее неизвестный эффект. В ходе испытаний стало известно, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний.

Компания Google под руководством Джона Мартиниса планирует ставить эксперименты над компьютером с 49 кубитами. Также IBM проводит испытания с 17-кубитным устройством, а Microsoft официально заявила о начале работы над своим первым квантовым ЭВМ.

Ада Адамова

Актуально по теме