ВЕК КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ УЖЕ НАСТАЛ, НО ПЕРСПЕКТИВЫ ТУМАННЫ.

ВЕК КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ УЖЕ НАСТАЛ, НО ПЕРСПЕКТИВЫ ТУМАННЫ.

ПРОПАСТЬ МЕЖДУ МЕЧТОЙ И РЕАЛЬНОСТЬЮ.

У людей создается впечатление, что квантовый компьютер, это тоже, что и обычный PC (те же 0 и 1), только быстрый и дорогой, и что такой компьютер сделает все что угодно в 1000 раз быстрее чем обычная ЭВМ. Это принципиально не так.

Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Другими словами, если вы посчитаете 2+2, то 4 получится только с некоторой долей точности. Точно 4 вы не получите никогда. Логика его процессора совсем не похожа на привычный нам процессор.

И не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество.

Шумиху подталкивает осознание того, что квантовые вычисления реальны.

Но революция не начнется, пока новое поколение студентов и хакеров не начнет играть с практическими машинами. Квантовые компьютеры требуют не только иных языков программирования, но и принципиально иного способа мышления о программировании.

---------------------------------------------------------------------------------—

После десятилетий изнурительного труда без особых надежд на успех, вокруг квантовых вычислений внезапно развилась прямо-таки лихорадочная деятельность. Почти два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами. Тогда устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство для серьезной обработки данных. Несколько месяцев назад IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов. Также известно, что еще один компьютер ждет своего часа в стенах компании Google.

В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся "квантовом превосходстве": времени, когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать одни лишь числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но вся суть квантовых вычислений заключается в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долгое время считалось, что 50 кубитов будет достаточно для проведения вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго. В середине 2017 года исследователи из Google объявили, что собираются продемонстрировать квантовое превосходство к декабрю. (На недавнюю просьбу поделиться новыми данными представитель компании ответил так: "Мы объявим результаты, как только они будут достаточно обоснованными, а пока проводится тщательный анализ уже имеющихся наработок".)

Очень хочется сделать вывод, что все основные проблемы решаемы и будущее, в котором квантовые компьютеры — явление повсеместное, это лишь вопрос технического оснащения. Но он будет ошибочным. Физические вопросы в основе квантового вычисления пока еще далеки от решения.

Даже если мы вскоре и шагнем в эпоху квантового превосходства, следующие год-два могут оказаться решающими — действительно ли квантовые компьютеры полностью изменят подход к вычислениям? Ставки все еще высоки, и нет никаких гарантий, что цель будет достигнута.

И преимущества, и проблемы квантовых вычислений являются неотъемлемой частью физики, которая делает их возможными. Об основах уже было сказано 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 почти та же самая, только каждый бит находится в так называемой суперпозиции, то есть он может быть и 0, и 1 одновременно. Это значит, что определить состояние кубита можно лишь с некоторой долей вероятности.

Чтобы выполнить вычисление с большим количеством кубитов, все они должны находиться во взаимозависимых суперпозициях — в состоянии "квантовой когерентности", при котором все кубиты считаются сцепленными. В таком случае малейшее изменение в одном кубите может повлиять на все 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 вот добавление каждого нового кубита увеличивает возможности квантового компьютера в 2 раза. Именно поэтому разница между 5-кубитным и 50-кубитным устройством так значительна.

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

Пожалуй, самый безопасный способ описать квантовые вычисления — это сказать, что квантовая механика определенным образом создает "возможности" для вычислений, которые недоступны классическим устройствам. Как заметил физик Дэниел Готтесман из Института теоретической физики Периметр (Институт Периметра) в Ватерлоо: "Если доступно достаточное количество квантовой механики, то в некотором смысле процесс ускоряется, а если нет, то не ускоряется".

Хотя некоторые моменты все же ясны. Для проведения квантовых вычислений необходимо, чтобы все кубиты были когерентны, а это крайне трудно реализовать. Взаимодействие системы когерентных кубитов с окружающей средой создает каналы, через которые когеренция быстро "утекает". Этот процесс называется декогеренцией. Ученые, планирующие создать квантовый компьютер, должны предотвращать декогеренцию. Сейчас им удается остановить ее лишь на долю секунды. Ситуация становится сложнее, когда количество кубитов, а, соответственно, и возможность взаимодействия с окружающей средой возрастает. Именно поэтому, хоть идея квантовых компьютеров и была впервые предложена Ричардом Фейнманом еще в 1982 году, а теорию разработали в начале 1990-х, устройства, способные выполнять настоящие вычисления, удалось создать только сейчас.

Квантовые ошибки

Существует и вторая серьезная причина, по которой создать квантовый компьютер так тяжело. Как и любые другие процессы в мире, он издает шум. Случайные флуктуации, возникающие, скажем, из-за температуры кубитов или из-за особенностей фундаментальных квантомеханических процессов, могут менять направление или состояние кубита, что приводит к неточности расчетов. Такая угроза существует и в работе с классическими компьютерами, но она довольно просто решается. Необходимо просто создать две или более резервных копий каждого бита, чтобы случайно перевернутый бит не учитывался.

Ученые, работающие над созданием квантового компьютера, разработали несколько путей решения проблемы, но все стратегии приводят к появлению слишком большого числа дополнительных вычислительных расходов, так как вся вычислительная мощность расходуется на исправление ошибок, а не на выполнение заданных алгоритмов.

Многие исследования в области фундаментальных квантовых вычислений посвящены методам исправления ошибок. Отчасти сложность проблемы определяется еще одним из ключевых свойств квантовых систем: суперпозиции можно поддерживать только до тех пор, пока вы не измеряете значение кубита. Измерение разрушит суперпозицию и приведет к определенной величине: 1 или 0. Как можно определить, произошла ли ошибка в работе кубита, если вы не знаете, в каком состоянии он находился?

В одной хитроумной схеме предлагается использовать косвенное вычисление путем объединения кубита со вторым вспомогательным кубитом. Последний не участвует в вычислении, поэтому его измерение не влияет на состояние основного кубита. Вот только реализовать это довольно сложно. Подобное решение означает, что для того, чтобы создать настоящий "логический кубит", защищенный от ошибок, необходимо много физических кубитов.

Сколько? Квантовый теоретик Алан Аспуру-Гузик из Гарвардского университета считает, что для создания одного логического кубита потребуется около десяти тысяч физических, что не представляется возможным в настоящее время. По его словам, если все пойдет хорошо, то это число уменьшится до нескольких тысяч или даже сотен.

Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок так и останется неразрешенной и не позволит квантовым компьютерам достичь предсказанных им высот. "Создание квантовых кодов, исправляющих ошибки, гораздо сложнее демонстрации квантового превосходства", — объясняет математик Еврейского университета в Израиле Гил Калай. Он также добавляет, что "приборы без исправления ошибок очень примитивны в своих вычислениях, а превосходство не может основываться на примитивности". Другими словами, квантовые компьютеры не превзойдут классические, если не избавиться от ошибок.

Достичь таких целей невероятно сложно. Несмотря на все трудности, квантовые компьютеры из пятикубитных стали пятидесятикубитными всего за год — этот факт вселяет надежду.

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. В попытке найти частицы в топологическом состоянии, исследователи из Microsoft в первую очередь изучают экзотические квантовые материалы. Тем не менее нет никакой гарантии, что их исследования увенчаются успехом.

Чтобы обозначить мощность квантового вычисления на конкретном устройстве, исследователи из IBM предложили термин "квантовый объем". Это число, которое объединяет все важные факторы: глубину алгоритма, число и связность кубитов, а также прочие показатели качества квантовых ворот (например, шумность). В целом этот "квантовый объем" характеризует мощность квантового вычисления. По словам Гамбетты, сейчас необходимо разработать квантово-вычислительное оборудование, которое позволит увеличить доступный квантовый объем.

Это одна из причин, почему хваленое квантовое превосходство — довольно смутная идея. Сама мысль о том, что 50-кубитный квантовый компьютер превзойдет современные суперкомпьютеры, звучит привлекательно, однако остается множество нерешенных вопросов. При решении каких именно задач квантовый компьютер превосходит суперкомпьютеры? Как определить, правильный ли ответ получил квантовый компьютер, если его нельзя проверить с помощью классического устройства? А что если классический компьютер будет эффективнее квантового, если найти более совершенный алгоритм?

Таким образом, квантовое превосходство — это концепция, которая требует осторожности. Некоторые исследователи предпочитают рассуждать о "квантовом преимуществе", о скачке в развитии квантовых технологий, а не об окончательной победе квантовых компьютеров над обычными. Более того, большинство старается не использовать слово "превосходство", поскольку оно содержит негативный политический и расистский смысл.

Вне зависимости от названия, если ученые продемонстрируют, что квантовые компьютеры могут выполнять задачи, с которыми не справляются классические устройства, то это станет чрезвычайно важным психологическим моментом для данной области. "Демонстрация неоспоримого квантового преимущества войдет в историю. Это докажет, что квантовые компьютеры действительно могут расширить наши технологические возможности", — уверен Айзерт.

Возможно, это станет символическим событием, а не кардинальным изменением в области вычислительной техники.

"Чтобы область квантовых вычислений активно развивалась, нужно дать людям возможность использовать и изучать квантовые компьютеры, — утверждает Гамбетта. — Сейчас всему научному и промышленному миру следует сосредоточиться на одной задаче — подготовке к эпохе квантовых компьютеров".

Комментарии: