«Квантовый компьютер для бедных»: как работает первый в мире вероятностный компьютер

Современные компьютеры обычно хранят информацию и обрабатывают ее в виде последовательности нулей и единиц. Сейчас весь технологический рынок ждет появления квантового компьютера, который сможет использовать в своей работе квантовые биты — кубиты. Они одновременно могут быть и нулями, и единицами: такой подход позволит в сотни раз ускорить работу вычислительных устройств.

При этом, несмотря на появление громких новостей о разработках в области квантовых вычислительных машин, до создания настоящего квантового компьютера пока очень далеко.

Что такое вероятностный компьютер?

Вероятностный компьютер считается промежутком между классическими вычислительными устройства и квантовыми. Он сможет работать с битами вероятности — так называемыми p-bits (пи-биты — «Хайтек»), которые могут быть либо нулем, либо единицей в любой из отрезков времени. То есть на физическом уровне новый тип компьютеров работает не только с нулями и единицами, но и с вероятностью того, что тот или иной бит будет равен 0 или 1.

Такие биты могут хранить в себе намного больше информации, чем в обычных компьютерах, однако временного изменения пи-битов не хватает для создания полноценного квантового компьютера.

Вероятностные компьютеры, скорее всего, не получат широкого распространения из-за своей узкоспециализированной направленности. Такие устройства пока созданы для обработки вычисления вероятностей. Сейчас такие вычисления на обычных — бинарных — компьютерах происходят при помощи специального софта.

Среди основных клиентов операций по вычислению вероятностей:

• Банки, которые хотят проверить платежеспособность клиента перед выдачей ему кредитов.
• Почтовые сервисы, проводящие фильтрацию спама с индивидуальными настройками.
• Интернет-магазины, прогнозирующие поведение покупателей.
• Участники биржи, следящие за котировками.

До сих пор все эти операции (и многие другие, где необходимы вычисления вероятностей) происходили с использованием специальных программ. При этом появление компьютера, направленного на решение этих задач, как ускорит их выполнение, так и снизит возможность ошибки.

Например, логические операции для построения моделей платежеспособности клиентов банка можно построить с помощью классического компьютера и ИИ, который будет каждый раз строить цифровой профиль клиента, используя его мощности. Построение алгоритмов инструментами булевой логики, на которой работают обычные компьютеры, займет, например, 10 минут. ИИ придется построить виртуальную модель, в которой среди ответов могут быть не только 1 или 0 (true или false), но и промежуточные варианты. При этом использование транзисторов нового типа и байесовской математики на физическом уровне заложит вероятность существования не только ответов типа «истина» или «ложь», но и каких-то других вариантов. Это приведет к тому, что ИИ будет строить цифровой профиль человека для банка за три минуты, поскольку ему не придется обходить физические пределы компьютера.

Участники биржи, которые следят за акциями, тоже смогут прогнозировать их курс с большей скоростью, используя вероятностные компьютеры. При этом возможность появления ошибки становится намного ниже, а точность прогноза — выше.

Как работает вероятностный компьютер?

В основе классических вычислительных систем лежит закон исключения третьего из булевой алгебры, согласно которому логические переменные могут принимать только два значения: «да» или «нет», «истина» или «ложь», 1 или 0.

Алгоритмы вероятностного компьютера работают по логике теоремы Байеса. Это позволяет использовать при вычислениях в том числе промежуточные значения между 0 и 1. Смысл этих промежуточных значений состоит в определении степени вероятности событий либо истинности тех или иных выражений.

Новый тип транзисторов, на которых работает вероятностный компьютер, может работать не только с двоичной, но и с байесовской системой. В нем транзисторы работают не в режиме выключателей — как в классических компьютерах, а по аналогии с реостатом, меняющим сопротивление и направление тока.

Хорошо. То есть японские инженеры создали полноценный вероятностный компьютер?

Сейчас инженеры собрали, скорее, работающий прототип вычислительного устройства нового поколения. Первым устройством из типа вероятностных компьютеров стала модификация магниторезистивной оперативной памяти (MRAM), которая применяется в некоторых типах компьютеров для хранения информации.

Технология MRAM использует направление магнитов для создания состояний сопротивления, которые будут соответствовать 1 или 0. Модифицированная версия намного нестабильнее классической, что позволяет создавать промежуточные версии 1 или 0 — пи-биты. После этого MRAM соединили с транзисторами, чтобы управлять силой и скоростью изменения битов.

Для создания первого компьютера инженеры собрали восемь таких карт оперативной памяти. В ходе первого эксперимента им удалось быстро обработать задачи по факторизации целых чисел.

Крайне важно, что вероятностный компьютер может работать в обычных комнатных условиях, как и современная электронная техника. При этом квантовые системы, которые должны когда-нибудь заменить современную вычислительную технику, сейчас могут работать только при очень низких температурах. Поэтому вероятностные компьютеры ученые называют квантовыми компьютерами для бедных, поскольку для их работы не нужно вводить дополнительные и обычно очень дорогостоящие условия.

Этот вероятностный компьютер — первый? Кто придумал эту технологию?

Одним из первых полупроводников, работающих по технологии вероятностного компьютера, стал PCMOS (вероятностный комплементарный металлооксидный полупроводник — «Хайтек»). Он появился в лаборатории профессора Кришна Паля из Университета Райса. Процессоры новой — вероятностной — архитектуры более чем в 30 раз меньше существующих по площади, потребляют в 12 раз меньше электроэнергии и в четыре раза лучше по пропускной способности. Технология появилась в 2009 году, после этого новых данных о ней нет.

Аналогичную работу проводила в начале 2000-х американская компания Lyric Semiconductor, владельцем которой в 2011 году стал крупнейший в США производитель микрочипов Analog Devices. Известно, что его разработками заинтересовались американские военные, однако сейчас также неизвестно, на какой стадии находятся эти разработки.

Так что официальное заявление группы японских и американских ученых о создании прототипа вероятностного компьютера можно назвать первой официальной презентацией этой технологии в мире.

Что будет дальше с этой технологией?

В дальнейшем ученые будут проводить новые эксперименты для выявления количества ошибочных операций: это позволит узнать пороговые условия работы вероятностных компьютеров и спектр задач, которые они смогут решать.

На широком массовом рынке мы вряд ли увидим появление вероятностных компьютеров, по крайней мере, в ближайшее время. Есть возможность, что в будущем микропроцессоры, работающие по такой технологии, будут внедрять в обычные компьютеры. Однако из-за узкой специализации этой системы, скорее всего, они будут работать на больших серверах и в лабораториях. На сегодняшний день вероятной цены этого устройства нет даже примерной.