Квантовые компьютеры должны стать прорывом в вычислительной технике

Квантовые компьютеры должны стать прорывом в вычислительной технике. Они полностью отличаются от современных кремниевых машин. Остается вопрос, насколько квантовые компьютеры могут быть более мощными, чем обычные ПК. Эксперт Мюрей Том, который работает в компании-разработчике одного из первых квантовых компьютеров D-Wave Systems, рассказал об этом.

С появлением квантовых машин кремниевые чипы не потеряют своей актуальности. Квантовые компьютеры сегодня позволяют быстрее получать ответы в симуляциях типа Монте-Карло, машинном обучении и проблемах оптимизации.

Все эти проблемы требуют переборки больших массивов данных, что достаточно сложно для кремниевых процессоров. Вот одна из таких задач оптимизации: пусть есть 5000 работников. Среди них нужно выбрать команду, которая покажет лучшие результаты. Чтобы решить эту задачу компьютеру придется перебрать много переменных: индивидуальные особенности каждого работника, его способности при работе в команде и тому подобное.

Для квантового компьютера решение такой проблемы не будет проблемой благодаря его конструкции. Он может в своей памяти найти все возможные решения, и среди них необходимо только выбрать лучший вариант. Традиционный компьютер с кремниевым чипом должен по одному искать развязки, тратя на это много времени.

Два года назад Google вместе с NASA купили квантовый компьютер D-Wave 2, который имеет 1097 кубитов. По их подсчетам, на решении задач оптимизации с 1000 переменных эта машина оказалась в 3600 раз быстрее, чем тогдашние суперкомпьютеры. Это в 100 млн раз мощнее среднего ПК. Квантовый компьютер решал задачи оптимизации за несколько секунд.

D-Wave 2 является вторым поколением и в 300 тыс. раз мощнее D-Wave One, который насчитывал 512 кубитов.

Как работает квантовый компьютер

Компьютеры и смартфоны сегодня стали очень быстрыми благодаря тому, что их процессоры работают на частотах в несколько гигагерц. Однако дальнейшего значительного роста скорости ожидать не стоит: кремниевая электроника приблизилась к своему пределу. На замену ей могут прийти квантовые компьютеры – машины нового поколения, которые пока что находятся на начальном этапе развития. Однако они уже обещают значительный выигрыш в производительности. Как им удалось этого достичь и по каким принципам работают квантовые компьютеры – читайте ниже.

Одним из мест, где сегодня разрабатывают квантовую вычислительную машину, есть лаборатория Station Q при Университете Калифорнии. Ее возглавляет Майкл Фридман (Michael Freedman), который считает подобную технологию следующим прорывом в компьютерной отрасли. Ведь квантовые машины смогут быстро решать трудные задачи в сфере машинного обучения, медицины, химии, криптографии, материаловедении и инженерии.

«Это может быть настолько радикальным, насколько можно представить, – говорит Фридман. – Она может иметь невероятные последствия в вычислениях. Правда в том, что мы не знаем, какие».

Особенности квантов

Квантовые компьютеры стали возможными благодаря эффектам, которые наблюдаются на уровне атомов. Например, на нем информация мгновенно телепортируется от одного кванта к другому независимо от расстояния. Вот пять главных особенностей квантов, которые делают их более быстрыми, чем обычные транзисторы из кремния:

в квантовом состоянии частицы могут находиться в суперпозиции – это существование в нескольких формах одновременно (одномоментно они есть и нулем, и единицей);

благодаря этому квантовый компьютер может быстрее решать задачи, которые обычным машинам понадобятся века;

на микроскопическом уровне частицы материи могут вести себя, как волна;

квантовый компьютер работает на основе кубит – наименьший элемент, который может принимать состояние «1», «0» или оба одновременно;

квантовые частицы могут быть связаны друг с другом независимо от расстояния.

Кванты вместо транзисторов

Подобные эффекты позволяют отойти от логического принципа работы машин Тьюринга, по которому построены все современные компьютеры оперируют логическими понятиями нуля и единицы.

«Все наши машины независимо от их сложности и возможностей параллельной работы фактически является надстройкой над оригинальной машиной Тьюринга, – говорит Фридман. – Это классическая модель, а есть квантовая модель, в которой перескочить с одного состояния на другое – это как будто заглянуть в основы мироздания за его кулисы».

Квантовый компьютер – это очень сложная машина, однако они позволят решать много важных задач. Их решение на обычных суперкомпьютерах потребовало бы времени больше, чем будет существовать вселенная, говорит исследователь и менеджер отдела квантовых вычислений Microsoft Research Криста Свор (Krysta Svore). «Мы думаем, что квантовый компьютер смог бы решить подобные проблемы за значительно более короткое время, возможно несколько лет, дней или даже секунд», – предполагает она.

Проблемы квантовых машин

Одно из главных препятствий на пути внедрения квантовых вычислителей – их очень большая чувствительность к помехам. Малейшее изменение температуры, лишний электрон или попадания космического излучения вызывают изменение квантового состояния кубита, что уничтожает информацию в нем.

Преодолеть эти проблемы мешает то, что они требуют не только новых подходов, но и другого типа мышления. «Квантовая механика – это фундаментальная микроскопическая язык вселенной. Она ней разговаривает сама с собой, однако мы мыслим иначе. Люди похожи на классические компьютеры, – говорит Фридман. – Развитие квантовых машин требует изменить стиль мышления классической модели на язык вселенной».

Квантовые компьютеры пытаются создать во многих лабораториях мира, однако в Microsoft это делают с таким расчетом, чтобы в конце можно было изготовить практичный продукт. Для этого ее ученые не пытаются построить кубит на основе фиксирования спина электрона, как другие. Они разработали новый подход с коррекцией ошибок, который активно манипулирует кубитами.

«Все в мире является квантовой механикой, – говорит Санкар Дас Сарма (Sankar Das Sarma). Он преподает физику конденсированной материи в Университете Мэриленда и вместе с учеными Microsoft занимается квантовым компьютером. – Мы просто пытаемся отойти от пассивного использования квантовых законов к активному для создания чего-то революционного».

Подход, который разрабатывают ученые, позволит уменьшить влияние внешних помех на кубиты. Сегодня квантовые компьютеры напоминают пирамиду: достаточно нарушить один кирпич, и разрушится все здание. За это сохранена в кубитах информация теряется навсегда. В Microsoft пытаются сделать так, чтобы повреждение одного кубита не влияло на другие.

Безграничное будущее квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры обещают быть очень мощными вычислительными машинами, которые помогут решить много сложных проблем и, возможно, изменить весь мир. Сами ученые не могут представить, какие возможности они предоставят пользователям.

«В свое время глава IBM сказал, что не представляет сценарий, в котором обычному человеку понадобится доступ к компьютеру, – говорит Дас Сарма. – Сегодня в моей семье десять ПК. Квантовый компьютер сможет делать невероятные вещи, которые мы не можем предсказать сегодня»

Источник: vk.com

Комментарии: