Квантовый компьютер versus обычный.

Есть такая общая мантра у современных ученых о том, что квантовый компьютер откроет новую эру в науке за счет своего быстродействия. Мечта, в общем-то, понятная. Особенно с учетом того, например, что за вменяемое время с приличной точностью можно рассчитать поведение и свойства молекул, состоящих из нескольких атомов, а что-то более сложное уже находится за гранью наших сегодняшних возможностей.

Гипотетическое преимущество квантового компьютера основано на использовании для передачи и обработки данных явлений квантовой механики, таких как квантовая запутанность и квантовая суперпозиция. Термин «квантовая запутанность» описывает явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Тут сразу становится понятным желание использовать такой эффект для передачи данных, не правда ли? Квантовая суперпозиция – это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих) состояний системы, которые в классическом представлении не могут существовать одновременно. Эту концепцию хорошо иллюстрирует всем известный мысленный эксперимент Шрёдингера с котом. В чем его суть? Поместим кота в специальный ящик, где уже находится колба с ядом и специальный механизм. Этот механизм при опускании крышки ящика с равной вероятностью либо открывает колбу с ядом, тем самым убивая кота, либо оставляет колбу закрытой. Сторонний наблюдатель не может видеть сквозь стены ящика, и поэтому не знает, что произошло с котом. В этом случае с точки зрения квантовой механики состояние кота будет описываться как смешение двух состояний – мертвого и живого кота. Таким образом, использование квантовой суперпозиции позволяет вместо обычных битов, способных принимать значение либо 0, либо 1, построить их аналог для квантового компьютера – кубиты, которые одновременно находятся в состояниях и 0, и 1. Теоретически, использование кубитов позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде вычислительных алгоритмов. При этом увеличение числа используемых совместно кубитов ведет к быстрому росту быстродействия в сравнение со скоростью обычного компьютера.

Мысленный эксперимент с котом Шрёдингера иллюстрирует и одну из основных проблем с реализацией квантового компьютера. Кот находится в суперпозиции жизни/смерти только пока ящик закрыт. Как только ящик открывают, состояние кота становится определенным, наблюдатель сразу понимает, жив или мертв кот. Значит, при работе квантового компьютера «открыть ящик» можно только один раз, когда человек хочет узнать результат его работы. Следовательно, главная проблема при реализации квантового компьютера заключается в том, чтобы исключить случайное разрушение суперпозиции. И эта же проблема определяет существенно больший по сравнению с обычными компьютерами процент вычислительных ошибок у квантовых компьютеров – избежать случайных разрушений необычайно трудно.

Сразу заметим, что на сегодня квантовые компьютеры уже существуют. В частности, компания D-Wave Systemsс 2007 года продает узкоспециализированные квантовые вычислители, собранные из кластеров по 8 кубитов. А Google в октябре 2019 объявила о создании процессора Sycamore на 54 кубитах, который вроде как выполнил за 200 секунд задание по специфической генерации случайных чисел, на которое, согласно сведениям журнала Nature, современному суперкомпьютеру нужно 10000 лет. Чуть позже, правда, уже в IBM заявили, что считать нужно уметь, и что такая задача займет всего 2,5 дня работы на обычном суперкомпьютере.

Помимо реализации квантового компьютера в «железе», для него необходимо проработать и методы написания программ. Из-за трудностей собственно с «железом», обычно такая работа ведется с помощью симуляции квантового компьютера на обычном суперкомпьютере. И по-моему, на основе количества кубитов в таких симуляциях вполне можно судить о границе «квантового превосходства», после которой разрыв между обычными суперкомпьютерами и квантовыми компьютерами начнет лавинообразно нарастать. В январе 2020 ученые из Университета Чикаго и Аргоннской национальной лаборатории опубликовали работу, в которой описывается симуляция алгоритма Гловера (очень показательный квантовый алгоритм решения задачи перебора) на 61-ом кубите. Для этих целей использовали аргоннский суперкомпьютер Theta, состоящий из 4392 узлов, каждый из которых содержит в себе 64-х разрядный процессор Intel Xeon PhiTM7230 с 16 гигабайтами высокоскоростной встроенной памяти (MCDRAM) и 192 ГБ оперативной памяти DDR4.

Так что, Googleпогорячились, когда объявили, что всем вот сейчас покажут. Но! 54 и 61 кубит не так уж далеки друг от друга, так что есть шансы, что в ближайшие несколько лет квантовые компьютеры действительно появятся, и наступит новая эра в вычислительных задачах. Может и Скайнет появится)

На фото рабочий блок Sycamore (Google).

"Full-State Quantum Circuit Simulation by Using Data Compression," published by The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis (SC'19). DOI: 10.1145/3295500.3356155

Комментарии: