Квантовые компьютеры: изобретение машины и работа для нее

Альберт Эйнштейн однажды сказал: «Бог не играет в кости». Ученые из Делфтского технологического университета в Нидерландах решили экспериментально проверить принцип «локального реализма», ведь это на самом деле гениальная фраза — постулирует, что явления должны подчиняться законам науки, а не происходить случайно.

В ходе эксперимента, о котором сообщается на сайте Nature, профессора Морган В. Митчелл и Валерио Прунери исследовали свойства двух запутанных электронов, «пойманных» в отдельные кристаллы алмаза. Локальный реализм диктовал бы, чтобы их ориентация была как-то заранее предопределена и чтобы существовала детерминистическая коммуникация этого состояния. Однако измерение, сделанное в эксперименте, противоречило постулату Эйнштейна — ориентации электронов были запутанными и случайными и могли быть определены только во время измерения.

Как отметил в «Нью-Йорк таймс» голландский профессор Рональд Хэнсон, руководивший экспериментом, это предприятие — не просто игра в шутки с Эйнштейном, но и практическое значение. Запутанность — теоретическая основа квантового Интернета будущего, сверхзащищенной связи между машинами, в которые никто не может проникнуть — квантовыми компьютерами.

Быстро, но холодно

Идеей квантового компьютера часто считают идею, выдвинутую нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом в 1981 году. Последующие подходы и попытки привели к созданию в 2010 году самого известного примера квантового компьютера — D-Wave. Правда, некоторые сомневаются, что это «настоящий» квантовый компьютер (об этом позже), но численно его возможности выглядят впечатляюще. Построен недавно, в 2013 году, другая его версия, D-Wave 2X, расположенный в Исследовательском центре НАСА в Маунтин-Вью, Калифорния, в конце 2015 года доказал, что существует в сто миллионов раз быстрее чем традиционный компьютерный чип.

Однако, чтобы охладить энтузиазм, следует добавить, что сравнение проводилось с использованием того, что можно сравнить с квантовым компьютером, т.е. имитации квантовых операций, выполняемых с помощью обычного процессора. Сравнивать стандартные расчеты, сделанные на обычном чипе, с типичной работой чипа D-Wave не имеет смысла. Принцип работы, основанный на информационных кубитах, полностью отличается от обработки битов в компьютерах, какими мы их знаем. D-Wave 2X выполняет работу, для которой он был разработан, в сто миллионов раз быстрее, чем традиционный компьютер при той же работе.

Копия D-Wave в штаб-квартире НАСА.

Это сигнализирует о проблеме с квантовыми компьютерами. А именно, пока не ясно, какие вопросы мы должны им задавать и какие задачи им ставить. В любом случае, в задачах, которые мы ставим перед традиционными вычислительными машинами, квантовые компьютеры не должны быть лучше.

D-Wave имела 128-кубитную архитектуру, и за следующие два года ему удалось удвоить свою вычислительную мощность, что быстрее, чем предполагал знаменитый закон Мура. D-Wave 2X уже 512-кубитная архитектура. К сожалению, для того, чтобы похвастаться такими вычислениями, квантовому процессору нужны специфические и довольно экстремальные условия:

• температура около 0,02 К;
• почти идеальный вакуум, т.е. среда с давлением на 10 миллиардов меньше атмосферного;
• мощный щит, защищающий процессор от магнитного поля Земли.

Мастер декогеренции

Чтобы понять волшебный мир, в котором действуют квантовые «чипы», нужно приостановить так называемое здравый смысл.

Большинство основных элементарных частиц могут существовать более чем в одном состоянии. Например, электроны обладают свойством, называемым спинем, обмотка — хотя это не совсем то же самое, что мы подразумеваем под вращением — может быть направлена ​​либо вверх, либо вниз. Вращение можно измерить с помощью сложных приборов, а также им можно управлять. Направление лазерного луча с правильной длиной волны на электрон от лазерного луча приводит к изменению спина.

Однако становится странным, когда мы воздействуем на электрон лазером только в течение половины времени, необходимого для изменения направления вращения. Когда это происходит, электрон входит в состояние, которое физики называют состояние суперпозиции. Проще говоря, это означает, что частица имеет как восходящий, так и нисходящий спин. Еще более странно, что он остается в таком состоянии только когда его не смотрят. Если мы попытаемся измерить вращение, оно квантовая декогеренциячто означает, что он вверх или вниз в случайном порядке. Кто-то более скептически может заключить, что суперпозиция — это всего лишь иллюзия, но ученые без сомнения доказали, что она действительно существует.

Визуализация бинарных и квантовых систем

Поясним это с точки зрения традиционной модели компьютерных вычислений, где каждый информационный бит состоит из двоичных цифр 0 и 1. Обычно система должна содержать числа, которые являются одним или другим. Однако с квантовыми компьютерами это не так. Если мы поместим его в суперпозицию, этот бит будет одновременно равен 0 и 1. Мы можем расширить это до области памяти с помощью нескольких битов. Если использовать восемь бит, как это было в начале эры микропроцессоров, то можно записать любое двоичное число от 00000000 до 11111111, что соответствует десятичной шкале от 0 до 255. Однако, когда все восемь бит находятся в суперпозиции, ресурс памяти будет содержать все значения от 0 до 255 одновременно. Более того, если мы выполняем вычисление с использованием содержимого этой памяти, оно перекрывает сразу все эти значения. Это дает ускорение в 256 раз по сравнению с обычным компьютером.

Если мы дойдем до 64 бит, а это столько же, сколько в современных процессорах, то получим почти 20 тысяч. триллион (20 миллионов триллионов) операций, которые можно делать одновременно. Биты, способные функционировать таким нетрадиционным образом, называются кубитами — принятое сокращение для квантовых битов.

Согласно вышеупомянутой декогеренции, когда мы пытаемся прочитать результат всех этих вычислений, состояние суперпозиции рушится, и результат этого краха остается случайным. Это не означает, что вы ничего не можете понять, хотя для получения полезных результатов требуются некоторые умные уловки. Хитрость заключается в том, чтобы применить алгоритмкоторый покажет один ответ, несмотря на происходящую декогеренцию. Кубит может находиться в состоянии неравной суперпозиции, т.е. в ситуации с большим процентом нулей, чем единиц. Мы начнем наше вычисление, скажем, с ввода восьми кубитов, что равно суперпозиции всех чисел от 0 до 255, а затем аналогичным образом проделаем операции, применимые к каждому из них. Однако эти числа не обязательно должны находиться в равных состояниях суперпозиции. Надеюсь, это решение, конечный результат всегда в какой-то степени случаен. Поэтому самое главное — спроектировать квантовый алгоритм таким образом, чтобы с большой вероятностью мы получили в результате правильное число.

Самая низкая точка ландшафта

Хотя система D-Wave 2X использует суперпозицию, она не является квантовым эквивалентом современных персональных компьютеров. Этот адиабатический квантовый компьютер, с помощью техники, называемой квантовый отжигчто гораздо проще масштабировать. Это не квантовый компьютер «общего назначения», а устройство, предназначенное для решения определенного типа задач, известных как «оптимизация». Его можно использовать для машинного обучения, систем искусственного интеллекта и для решения биологических задач, таких как скручивание белка.

Эксперты сравнивают типы задач оптимизации, с которыми сталкиваются адиабатические квантовые компьютеры, чтобы найти самые низкие точки в математических функциях, которые можно представить в виде ландшафта. В отличие от физического ландшафта, этот ландшафт может иметь более двух измерений, поэтому поиск комбинаций всех переменных занимает очень много времени.

Визуализация примерной ландшафтной функции

В D-Wave 2X кубиты функционируют во взаимосвязанной сети. Если каждый кубит находится в состоянии суперпозиции, то любая перестановка системы, в том числе и оптимальная, возможна и присутствует в любой момент времени. Используя другой своеобразный квантовый эффект, называемый «туннелирование«В котором частицы могут возникать по другую сторону барьера, не проходя через него, система автоматически интегрируется в низшем энергетическом состоянии, как это называется — «просачиваясь в раствор с низшей энергией». Когда кубиты наконец прочитаны, они показывают значения того наименее энергетического состояния, которое соответствует низшей точке «ландшафтной функции» и является ответом на вопрос, заданный компьютером.

Любое взаимодействие с внешним миром приводит к потере суперпозиции, поэтому система должна быть окружена защитной средой, т.е. несколькими экранирующими слоями и вакуумом. Он также должен опускаться до очень низких температур, потому что чип находится на поверхности, атомы которой колеблются.

Академическое сообщество восприняло архитектуру D-Wave со смешанными чувствами, и эксперты разделились во мнениях относительно того, действительно ли она значительно быстрее обычного компьютера и использует ли она квантовые эффекты вообще. Более того, поскольку машина работает совершенно иначе, чем современные компьютеры, определить истинную скорость D-Wave непросто — потому что, например, такие традиционные меры, как количество выполняемых инструкций, не имеют значения. Тем не менее, перейдя на одно поколение выше, от 128-кубитной D-Wave к 512-кубитной D-Wave Two, разработчики заявляют о 300 1024 более быстрых вычислений. раз. Следующее поколение сможет похвастаться XNUMX кубитами.

Большие числа и экзопланеты

Ведь тоже есть проблема применение квантовых компьютеров. Многие специалисты отмечают, что нам действительно нужно создавать не только эти устройства, но и задачи, которые имеют смысл их использовать. Наиболее известные области использования до сих пор вычисления на больших числах. Квантовые компьютеры делают это намного быстрее, чем обычные машины. Проблема важна для военных и секретных служб, потому что, если вы можете разбить большие числа на простые множители, вы также можете взломать самые безопасные зашифрованные сообщения.

Другой класс называется проблемы коммивояжера, заключающийся в поиске кратчайшего маршрута между несколькими городами. Это повторяющееся упражнение методом проб и ошибок, к которому можно приспособить традиционные компьютеры. С несколькими городами это кажется относительно простым, но по мере увеличения количества точек на карте становится намного сложнее. Именно для такой работы и был разработан D-Wave 2X. НАСА может использовать эту технику для планирование маршрутов марсоходов. Космическое агентство также намерено использовать свой D-Wave 2X для поиск похожих на Землю экзопланетна котором могла бы существовать разумная жизнь. Хотя космический телескоп «Кеплер» должен их обнаруживать, объем данных, которые он предоставляет для анализа, огромен — и именно здесь могут помочь квантовые вычисления.

Веревка экзопланет — визуализация

Технология поиска Google сегодня распространена повсеместно, но квантовые вычисления могут ее радикально изменить. В настоящее время поисковые системы способны предоставлять информацию из текстовых данных — между тем распознавание объектов из огромного фонда фотографий в сети пока нельзя. Можно ожидать, что в будущем это будет легко и эффективно благодаря квантовым вычислениям.

Стандартные компьютеры позволяют ученым больше узнать о классической физике. Считается, что квантовые компьютеры намного лучше анализируют квантовую физику. Это может звучать как сливочное масло, но утверждение о том, что «лучшее понимание квантовой физики позволит создавать более совершенные квантовые компьютеры», просто трудно отрицать.