научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ: ПЕРСПЕКТИВЫ ТУМАННЫ

Квантовые компьютеры

После десятилетий изнурительного труда без особых надежд на успех вокруг квантовых вычислений внезапно развилась лихорадочная деятельность. Два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который они теперь называют IBM Q Experience. Прежде устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство серьезной обработки данных. Однако в проекте зарегистрировались 70 тысяч пользователей по всему миру, а число кубитов увеличилось в четыре раза. Недавно IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов, а еще один компьютер ждет своего часа в компании Google.

ГОВОРИТСЯ О НАДВИГАЮЩЕМСЯ "КВАНТОВОМ ПРЕВОСХОДСТВЕ", когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать только числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но суть квантовых вычислений в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долго считалось, что 50 кубитов достаточно для вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго. В середине 2017 г. Google объявил, что собирается продемонстрировать квантовое превосходство к декабрю. Но на просьбу поделиться новыми данными компания ответила, что это произойдет, когда результаты будут достаточно обоснованными.

Хотелось бы верить, что основные проблемы решаемы и будущее, в котором квантовые компьютеры - явление повсеместное, - это лишь вопрос технического оснащения. Но физические вопросы квантового вычисления еще далеки от решения. Даже если вскоре наступит эпоха квантового превосходства, остается вопрос: изменят ли квантовые компьютеры подход к вычислениям?

Преимущества и проблемы квантовых вычислений - неотъемлемая часть физики. Об основах говорилось не раз, хотя не всегда уточнялось, чего же требует квантовая механика. Классические компьютеры хранят информацию и обрабатывают ее в двоичном коде (0 либо 1). В квантовых компьютерах ситуация сходная, но каждый бит находится в так называемой суперпозиции, то есть может быть 0 и 1 одновременно. То есть определить состояние кубита можно лишь с некоторой вероятностью.

Чтобы выполнить вычисление с большим количеством кубитов, они должны находиться во взаимозависимых суперпозициях, в состоянии "квантовой когерентности", когда все кубиты считаются сцепленными. Тогда малейшее изменение в одном кубите может повлиять на остальные. То есть вычислительные операции с использованием кубитов имеют большую производительность, чем с использованием классических битов. В классическом устройстве вычислительные возможности находятся в простой зависимости от количества битов, а добавление каждого нового кубита дважды увеличивает возможности квантового компьютера. Поэтому разница между 5-кубитным и 50-кубитным устройством значительна.

ДЕЛО НЕ В ТОМ, ЧТО ПРЕИМУЩЕСТВО КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА перед классическим заключается в существовании суперпозиций, увеличивающих число возможных состояний закодированной информации, и не в том, что сцепленность позволяет проводить много вычислений одновременно. (Высокая степень сцепленности кубитов не является обязательным условием.) Доля правды в этом есть, но сути квантового вычисления это не описывает.

Из-за сложности понимания квантовой механики объяснить, почему квантовое вычисление обладает такой мощью, сложно. Уравнения квантовой теории показывают, что работать она будет, по крайней мере с некоторыми видами вычислений: при факторизации или поиске по базе данных процесс ускоряется колоссально. Но насколько?

Самый безопасный способ описать квантовые вычисления - сказать, что квантовая механика создает возможности для вычислений, недоступные классическим устройствам.

Но некоторые моменты ясны. Для проведения квантовых вычислений необходимо, чтобы все кубиты были когерентны, что трудно реализовать. Взаимодействие системы когерентных кубитов с окружающей средой создает каналы, через которые когеренция быстро "утекает" (процесс декогеренции). При создании квантового компьютера необходимо предотвращать декогеренцию. Сейчас ее удается остановить лишь на долю секунды. Ситуация усложняется, когда количество кубитов, а соответственно, и возможность взаимодействия с окружающей средой возрастает. Поэтому, хотя идея квантовых компьютеров была впервые предложена Ричардом Фейнманом еще в 1982 году, теорию разработали лишь в 1990-х, а устройства, выполняющие настоящие вычисления, - только сейчас.

Есть и вторая серьезная причина, почему тяжело создать квантовый компьютер. Как и другие процессы в мире, он издает шум. Случайные флуктуации, возникающие, скажем, из-за температуры кубитов или особенностей фундаментальных квантомеханических процессов, могут менять направление или состояние кубита, что приводит к неточности расчетов. Эта угроза существует и в работе с классическими компьютерами, но она просто решается. Создаются две (или более) резервные копии каждого бита, чтобы случайно перевернутый бит не учитывался.

Разработано несколько путей решения проблемы, но все стратегии приводят к большим дополнительным вычислительным расходам, поскольку вычислительная мощность расходуется на исправление ошибок, а не на выполнение заданных алгоритмов.

Квантовый компьютер МНОГИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ КВАНТОВЫХ вычислений посвящены методам исправления ошибок. Сложность проблемы связана с еще одним свойством квантовых систем: суперпозиции можно поддерживать, лишь пока вы не измеряете значение кубита. Измерение разрушит суперпозицию и приведет к определенной величине: 1 или 0. Как же определить возникновение ошибки в работе кубита, если неизвестно, в каком состоянии он находился?

В одной схеме предлагается использовать косвенное вычисление путем объединения кубита со вторым вспомогательным кубитом. Последний не участвует в вычислении, и его измерение не влияет на состояние основного кубита. Но реализовать это сложно. Значит, чтобы создать защищенный от ошибок кубит, необходимо много физических кубитов. Сколько? Есть мнение, что для создания одного логического кубита потребуется около десяти тысяч физических, что сегодня невозможно. Но, если все пойдет хорошо, это число уменьшится до нескольких тысяч, даже сотен. Но даже при таком раскладе дополнительные расходы вычислительной мощности все равно будут велики. Необходимо найти возможность справляться с ошибками.

Существует альтернатива исправлению ошибок. Их можно избегать или смягчить их последствия. В IBM разрабатывают схемы для математического вычисления вероятности появления ошибки и принимают полученный результат за уровень нулевого шума.

Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок останется неразрешенной и не позволит квантовым компьютерам достичь предсказанных высот и квантовые компьютеры не превзойдут классические, если не избавиться от ошибок.

Некоторые ученые считают, что проблема будет решена. Уже есть опыт исправления ошибок в маленьких устройствах, что со временем позволит использовать его в устройствах большего размера, способных долго и надежно хранить квантовую информацию при наличии шума. Однако до создания универсального, устойчивого к ошибкам квантового компьютера, использующего логические кубиты, пока далеко.

В ближайшее время квантовые компьютеры будут работать с ошибками. Что же делать? В обозримом будущем исследования приблизительных квантовых вычислений будут сосредоточены на поиске путей приспособления к шуму. Потребуется создание алгоритмов, выдающих правильный результат, игнорируя ошибки.

Одно из недавних, устойчивых к ошибкам приложений технологии, вероятно, важнее для ученых, нежели для мира в целом: моделирование материалов на атомарном уровне. Уравнения квантовой механики описывают способы вычисления стабильности или химической реакционной способности (например, у молекул лекарств). Но эти уравнения невозможно решить без использования большого количества упрощений.

НО КВАНТОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И АТОМОВ ОТНОСИТЕЛЬНО БЛИЗКО к естественному поведению квантового компьютера. Значит, можно построить точную компьютерную модель молекулы. Квантовое моделирование доказывает свою полезность даже на маленьких квантовых компьютерах, доступных сегодня. Разработан алгоритм, названный "Вариационным методом решения задач в квантовой механике" (далее - ВМР), позволяющий найти наименее энергозатратное состояние молекулы даже в шумных кубитах. Он может обрабатывать только очень маленькие молекулы с небольшим количеством электронов. С этой задачей хорошо справляются и классические компьютеры, но возможности квантовых растут. Использование ВМР для моделирования маленьких молекул - пример того, как можно применять краткосрочные эвристические алгоритмы. Но потребуются время, пока квантовые компьютеры обгонят классические. Однако всего за год квантовые компьютеры из пятикубитных стали пятидесятикубитными, что вселяет надежду. Но не нужно зацикливаться на цифрах, важнее не сколько у вас кубитов, а как хорошо они работают и насколько эффективны алгоритмы.

Любое квантовое вычисление завершается тем, что начинается декогеренция, перемешивающая кубиты. Обычно время декогеренции группы кубитов составляет несколько микросекунд. Количество логических операций, которые можно выполнить за такое короткое время, зависит от скорости переключения квантовых ворот. При низкой скорости не важно, сколько кубитов в вашем распоряжении. Количество операций, необходимых для вычисления, называется глубиной вычисления: алгоритмы с низкой глубиной эффективнее, чем глубокие алгоритмы. Однако неизвестно, приносят ли они пользу при вычислениях.

Более того, не все кубиты одинаково шумны. Теоретически возможно создать кубиты с низким уровнем шума из материалов, которые находятся в так называемом топологическом электронном состоянии: если использовать частицы в таком состоянии для кодирования двоичной информации, она будет защищена от случайного шума, но нет гарантий, что их исследования увенчаются успехом.

Чтобы обозначить мощность квантового вычисления на конкретном устройстве, исследователи IBM предложили термин "Квантовый объем". Это число, объединяющее глубину алгоритма, число и связность кубитов и прочие показатели качества квантовых ворот, например, шумность. В целом этот "квантовый объем" характеризует мощность квантового вычисления. Необходимо разработать квантово-вычислительное оборудование, которое позволит увеличить доступный квантовый объем.

Это одна из причин, почему квантовое превосходство - смутная идея. Мысль, что 50-кубитный квантовый компьютер превзойдет современные суперкомпьютеры, звучит привлекательно, но есть масса нерешенных вопросов. При решении каких задач квантовый компьютер превосходит суперкомпьютеры? Как определить правильность ответа квантового компьютера, если его нельзя проверить с помощью классического устройства? Что, если классический компьютер будет эффективнее квантового, если найти более совершенный алгоритм?

КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО - КОНЦЕПЦИЯ, ТРЕБУЮЩАЯ ОСТОРОЖНОСТИ. Некоторые исследователи предпочитают рассуждать о "квантовом преимуществе", скачке в развитии квантовых технологий, а не об окончательной победе квантовых компьютеров над обычными.

Если ученые продемонстрируют, что квантовые компьютеры могут выполнять задачи, с которыми не справляются классические устройства, это докажет, что квантовые компьютеры действительно могут расширить наши технологические возможности.

Возможно, это станет символическим событием, а не кардинальным изменением в вычислительной технике. Чтобы достичь квантового превосходства, нужно отрегулировать взаимодействие между разработчиками и пользователями, которые должны быть уверены, что новинку стоит попробовать. В стремлении к этому сотрудничеству IBM и Google спешат предоставить пользователям свои разработки. Ранее IBM предлагала всем зарегистрировавшимся на сайте доступ к своему 16-кубитному компьютеру IBM Q. Теперь компания разработала 20-кубитную версию для корпоративных клиентов, среди которых JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung и Оксфордский университет. Коллаборация не только помогает клиентам найти что-то полезное и интересное, но и создает квантово-грамотное сообщество программистов, которые будут разрабатывать новые функции и решать проблемы, нерешаемые в рамках одной компании.

Филип БОЛЛ, InoSMI

Печатается с сокращениями

Опубликовано в Техника
Прочитано 173 раз
Оцените материал
(0 голосов)

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх