1. перевага невизначеності
2. мінімальний набір
3. Bristlecone Google
4. Tangle Lake Intel
5. точка перегину
6. 50Q IBM
7. 19Q Rigetti Computing
8. 2000Q D-Wave
9. таймлайн

В IT склалася передреволюційна ситуація, хоча в курсі того, що відбувається залишаються лише деякі цікавляться і ще більш вузьке коло фахівців. А тим часом вже в цьому році очікується подія історичного масштабу: квантові комп'ютери, розробка яких триває вже понад три десятиліття, вперше зможуть проводити обчислення, недоступні для найпотужніших суперкомп'ютерів традиційної кремнієвої архітектури. Якщо очікування виправдаються, скоро ми вступимо в еру «квантового переваги». Але хоча назва для цієї епохи давно придумано, що нас в ній чекає, не знає поки ніхто.

Стенд компанії Intel на минулому на початку року конференції споживчої електроніки CES в Лас-Вегасі, як зазвичай, був заповнений журналістами і техноблогерамі. Новинки найбільшого виробника мікрочіпів завжди потенційно цікаві, хоча в останні роки ці оновлення - трохи більше ядер, трохи менше енергоспоживання - все рідше привертають увагу публіки. Однак на цей раз технологічному гіганту дійсно було чим похвалитися: відвідувачам показали квантовий процесор Tangle Lake, здатний - нехай теоретично і лише в деяких завданнях - робити те, що поки було під силу лише найкращим суперкомп'ютерів.

Tangle Lake ні розмірами, ні формою не дуже виділяється на тлі звичайної продукції Intel. Але принципи, на яких він працює, далекі від тих, на яких побудована традиційна електроніка. Замість мільярдів транзисторів на новій мікросхемі є всього 49 елементів. І це не напівпровідникові перемикачі струму, а кубіти ( «квантові біти»), елементарні осередки, здатні працювати з квантової інформацією. В даному випадку вони представляють собою крихітні надпровідні антени.

Це не єдиний варіант отримати кубіти для квантового комп'ютера, але в даному випадку важливіше їх число. 49 не рекорд: ще до презентації Tangle Lake компанія IBM розповіла про роботу над квантовим комп'ютером на 50 кубіт, а група під керівництвом гарвардського фізика Михайла Лукина зробила експериментальний 51-кубітний обчислювач. Легко помітити, що всі ці проекти побудовані навколо цифри в півсотні кубіт: саме на ній зазвичай встановлюють планку, після якої варто очікувати настання «квантового переваги».

перевага невизначеності

Використовувати для розрахунків поведінки квантових систем не звичайні комп'ютери, а інші квантові системи, які могли б грати роль спрощеної моделі, запропонував ще Ричард Фейнман в 1981 році. Справедливості заради варто додати, що ідея, мабуть, витала в повітрі: майже за рік до того її висловлював радянський математик Юрій Манін. Справді, складність, з якою стикаються звичайні комп'ютери при моделюванні таких систем, полягає в самій їх квантову природу, в непереборний невизначеності параметрів взаємодіючих частинок.

Три типу квантових комп'ютерів. 1. Пристрій для квантового відпалу
Найменш універсальна форма квантового комп'ютера. Його найлегше побудувати, проте він здатний виконувати лише дуже обмежене коло завдань, пов'язаних з оптимізацією. Багато експертів сумніваються в тому, що такий пристрій може мати будь-які переваги перед традиційним комп'ютером. Застосування: завдання на оптимізацію Універсальність: обмежена. Обчислювальна потужність: не перевищує традиційну

Припустимо, нам потрібно порахувати, як поведе себе атом, якщо ми направимо на нього фотон; для цього нам потрібно з'ясувати поляризацію фотона. Єдиний спосіб зробити це - провести вимірювання, а до цього поляризація залишиться невизначеною: фізики говорять про суперпозиції, накладення можливих значень. Для розрахунків всі варіанти повинні бути розглянуті окремо, і в нашому прикладі це займе вдвічі більше часу, ніж якби потрібні параметри поляризації були відомі. Більш того, варто почати додавати в систему інші компоненти (кілька атомів, кілька фотонів), і невизначеності доведеться множити, а складність обчислень виросте експоненціально.

Ідея квантового комп'ютера полягала в тому, щоб звернути недолік в гідність: використовувати для обчислень саму невизначеність, яка так ускладнює звичайні розрахунки. Уявімо, що вам потрібно підібрати пароль, у якого невідомі останні два біта. Тут можливі чотири комбінації: 00, 01, 10 і 11. У класичному випадку кожен з них необхідно вважати окремо: підставити його в потрібне місце і перевірити результат. Однак якщо носієм інформації стане квантовий об'єкт - наприклад, два кубіта з суперпозицією поляризації, - то всі чотири комбінації можна буде перевірити одночасно.

2. Аналоговий квантовий комп'ютер дозволить проводити симуляцію складних квантових взаємодій, які недоступні для моделювання на будь-яких традиційних комп'ютерах. Вважається, що аналоговий квантовий комп'ютер буде містити від 50 до 100 кубітів. Застосування: квантова хімія, розробка нових матеріалів, завдання на оптимізацію, семплірованіє, квантова динаміка. Універсальність: часткова. Обчислювальна потужність: висока

Якщо правильна комбінація можливих станів кубітів існує, можна не сумніватися, що вони візьмуть і її теж. Головне - організувати взаємодію між ними так, щоб ми змогли прочитати і зрозуміти вийшов відповідь. Міць квантових комп'ютерів полягає саме в експоненціально зростаюче число операцій, які можна зробити за один крок. Система, що складається з двох кубітів, дозволяє одночасно розглянути чотири варіанти розвитку подій, система з чотирьох - 16. Після 50, як ми пам'ятаємо, настає «квантове перевагу», а на число комбінацій всіх можливих станів квантового комп'ютера з 300 кубітів вже не вистачить атомів у Всесвіті.

Щоб взяти цю планку, нам знадобляться фізичні носії кубітів. У цій ролі можуть виступати окремі атоми, здатні перебувати в різних енергетичних станах, або дефекти кристалічної структури ( «вакансії»), що несуть спин різного спрямування, або навіть відносно великі об'єкти - як ті надпровідникові антени, на яких побудований Tangle Lake. Який саме варіант стане стандартом в майбутньому, поки сказати важко. Так свого часу було з електричною лампою: фізика зрозуміла, але інженерних рішень запропоновано цілий букет. Тільки досвід застосування покаже переваги, недоліки і перспективи різних систем.

3. Універсальний квантовий комп'ютер Найбільш потужна і найбільш гнучка з точки зору обчислювальних задач версія квантового комп'ютера. Розробка такого пристрою пов'язана з великою кількістю технічних труднощів. За сучасними оцінками, в його складі має бути не менше 100 000 фізичних кубітів. Застосування: безпечні обчислення, машинне навчання, криптографія, квантова хімія, розробка нових матеріалів, завдання на оптимізацію, семплірованіє, квантова динаміка, пошук. Універсальність: повна, з прискоренням відносно традиційних комп'ютерів. Обчислювальна потужність: досить висока

мінімальний набір

Втім, для створення справжнього квантового комп'ютера знадобиться не тільки комплект кубітів, а й канали їх взаємодії. У звичайному комп'ютері цю роль виконують дроти і електричні контакти, а в квантовому - ефект заплутаності. Заплутані частинки мають загальні квантові параметри: їх можна розділити фізично, але їх поведінка залишиться пов'язаним, незважаючи на відстань. Кубіти в квантовому комп'ютері розташовані не дуже далеко, однак саме заплутаність пов'язує їх в єдину, узгоджено реагує систему.

Крім того, новому комп'ютера необхідно записувати і зчитувати інформацію. В принципі, це найпростіше: для введення-виведення можна використовувати випромінювання, наприклад лазерне або мікрохвильове, сфокусоване на окремих кубітах, що дозволяє «писати» і «читати» їх стан. Технічно це досить тонка робота, яка вимагає дорогого устаткування, але робити це фізики вміють вже давно. Куди важче виконати останню вимогу: як можна надійніше ізолювати кубіти від зовнішнього світу, щоб утримувати їх заплутаність протягом часу, достатнього для обчислень і обміну даними.

Bristlecone Google

Остання розробка групи Джона Мартініса в дослідницькому підрозділі пошукової корпорації показує приклад нового підходу до проблеми корекції помилок, настільки важливою для квантових обчислень. Кубіти розташовані на мікрочіпі в шаховому порядку - так, що «білі» використовуються для логічних операцій, а «чорні» - для контролю помилок.

Про те, наскільки важко зберегти квантову природу великої і складної системи, може розповісти сам кіт Шредінгера. Задум цього уявного експерименту широко відомий: поміщене в коробку тварина виявляється одночасно жваво і мертво, оскільки його доля залежить від невизначеного стану якоїсь частки. До відкриття коробки (вимірювання) параметри частки знаходяться в суперпозиції двох станів, а разом з ними в суперпозиції знаходиться і кіт. Зазвичай цей експеримент призводять як приклад парадоксальної природи квантового світу, але, якщо подумати, він говорить ще й про інше.

Одночасно живих і мертвих котів не буває якраз тому, що кіт - це макроскопічний об'єкт. Він складається з багатьох частинок, які весь час намагаються вступити у взаємодію з зовнішнім середовищем і «сколлапсіровать», втративши невизначеність і перейшовши в одне з можливих станів. Точно так само і з комп'ютером: чим більше кубітів, тим він може бути сильнішим, але при цьому все сильніше нагадує шредінгеровской кота, якому важко зберігати своє квантовий стан. Саме тому кубіти обов'язково поміщають в вакуумні камери, для них створюють хитрі схеми охолодження і розробляють складні методи корекції помилок.

Tangle Lake Intel

Крім числа кубітів і використання в основі пристрою надпровідних антен з джозефсоновские переходами, про Tangle Lake невідомо поки нічого конкретного.

точка перегину

Тепер, коли приблизно ясно, що взагалі мається на увазі під квантовим обчислювачем і які у нього можуть бути переваги, стає зрозуміло, що квантові технології не замінять старий добрий кремній ні завтра, ні у віддаленому майбутньому. Однак це зовсім не означає, що всі розмови про «квантовому перевагу» - чергова качка. Так, сьогодні відомо лише кілька обчислювальних задач, які квантові комп'ютери здатні прискорити. Зате це прискорення не в 10 і не в 100 разів, а набагато більше - чим складніше завдання, тим помітніше.

50Q IBM

50-кубітний квантовий комп'ютер від IBM був представлений в листопаді 2017 року, але подробиць про нього відомо теж небагато. Зокрема, стверджується, що його час когерентності (протягом якого можна проводити обчислення) досягло рекордних для системи 90 мікросекунд.

Рішення багатьох таких завдань вже потрібно на практиці. Наприклад, алгоритм Шора дозволяє за секунди зламувати найсучасніші шифри, а алгоритм Лову Гровера принципово знижує складність пошуку у великих обсягах даних. Не слід забувати і про квантові розрахунки, про які спочатку говорили Фейнман і Манін. За статистикою, вони займають сьогодні до 30-40% обчислювальних ресурсів всіх суперкомп'ютерів. І мабуть, саме ця область стане першою, яка відчує «квантовий поштовх» від створення нових машин. А це означатиме нові матеріали, нові ліки, нове розуміння надпровідності.

19Q Rigetti Computing

Головною особливістю 19-кубітного чіпа називають його спеціалізацію на машинному навчанні. Система розроблена для вирішення завдань кластеризації даних, наприклад при розпізнаванні зображень.

Можна не сумніватися, що таких прикладів буде все більше: спектр практичних застосувань будь-якого комп'ютера стає зрозумілий тільки після появи відповідних для нього алгоритмів, які тільки належить розробити. Їх створення - область настільки молода, що, за словами одного дослідника, «можна написати на одній дошці імена всіх, хто нею займається в світі». Фахівців катастрофічно не вистачає, особливо зараз, коли в квантову гонку включаються IT-гіганти, готові переманювати співробітників цілими лабораторіями.

2000Q D-Wave

2000Q містить 2048 кубітів, що формально робить її найскладнішою квантовою системою в світі. Однак архітектура D-Wave істотно відрізняється від інших пристроїв і підходить для вирішення тільки дуже вузьких завдань. Багато експертів сумніваються, що підхід D-Wave взагалі може мати якийсь практичний виграш від використання квантових ефектів.

Наступ ери «квантового переваги» можна порівнювати з випуском першого персонального комп'ютера або мобільного революцією. Прості споживачі не відчують ніяких принципових змін ще як мінімум кілька років. Але якщо говорити про індустрію, то вона вже змінилася. Різкий інтерес до постквантовой криптографії, створення такими гігантами, як IBM і Microsoft, платформ для розробки квантових алгоритмів, мільярдні інвестиції - історія квантової революції вже пишеться.

таймлайн

До 1990: розвиток квантової механіки, теоретичні роботи

+1927

Вернер Гейзенберг формулює принцип невизначеності.

1981

У лекції «Моделювання фізики на комп'ютерах» Ричард Фейнман формулює основи квантових обчислень.

тисяча дев'ятсот вісімдесят п'ять

Девід Дойч описує систему універсального квантового комп'ютера для будь-яких обчислень.

Після 1990: практичні спроби створення квантових комп'ютерів. Початок активного фінансування досліджень

Пітер Шор відкриває квантовий алгоритм розкладання цілих чисел на множники, що дозволяє зламувати сучасні криптосистеми.

1994

Петер Цоллер і Хуан Ігнасіо Сирак реалізують першу експериментальну схему квантового комп'ютера, отримавши логічний вентиль C-NOT.

1 997

Олексій Китаїв створює надійний метод корекції помилок при квантових обчисленнях. 1998

Перші двохкубітні комп'ютери створені в Оксфордському університеті і IBM.

Квантовий комп'ютер IBM проводить успішне розкладання числа 15 по алгоритму Шора.

2008

Компанія D-Wave заявляє про створення 28-кубітного пристрою.

2016

IBM запускає хмарний сервіс Quantum Experience для віддаленого доступу до квантовому обчислювачеві.

2017

Не менш чотирьох незалежних груп доповідають про створення обчислювачів з приблизно півсотнею кубіт.

2018

Група Джона Мартініса анонсує Bristlecone - квантовий комп'ютер на 72 кубітах з системою корекції помилок.

Стаття «Квантовий перевагу» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2018 ).