Мы слышали о квантовых компьютерах на протяжении десятилетий. Мы даже видели их прототипы. К сожалению, их гигантская производительность пока носит чисто теоретический характер. Хотя, если верить сообщениям СМИ, Google только что применил теорию на практике.
Квантовый компьютер ничем не напоминает классический компьютер. Даже принципы его архитектуры полностью отличаются от всего, что мы привыкли называть компьютером – от калькулятора до академических суперкомпьютеров. Однако они служат одной и той же цели: выполнять сложные операции над числами.
Сердцем такого компьютера является физическая система. Программирование такого компьютера должно отметить его начальное квантовое состояние и соответственно спланировать его эволюцию. Это квантовое состояние представляет собой информацию о рассматриваемой системе, которая позволяет прогнозировать вероятности результатов всех измерений, которые могут быть выполнены в этой системе.
Конечно, измерения относятся к квантовой шкале, то есть к таким мелким элементам, как атомы и элементарные частицы. Потому что сам квант, вопреки распространенному мнению, не объект, а ценность. Более конкретно, наименьшее значение, которое данная физическая величина может иметь или может изменить в данном событии.
Этот эволюционный алгоритм, называемый квантовым алгоритмом, использует в своей концепции квантовые логические элементы и квантовые регистры. Этот алгоритм необходим для решения задач квантовой механики.
Чтобы понять результаты квантово-компьютерных расчетов, их нужно делать многократно.
В классическом компьютере информация представлена серией единиц и нулей, которые мы называем битами. Проблема состоит в том, что их квантовые аналоги – кубиты, то есть наименьшие и неделимые единицы квантовой информации – регулируются законами квантового мира и, следовательно, представляют не одно состояние (единицы и нули), а их суперпозицию (т.е. все промежуточные состояния). Эти кубиты – самая большая сила квантовых компьютеров. Но также одна из двух их самых больших слабостей.
Из-за упомянутой суперпозиции, один кубит представляет несравненно больше информации, чем немного от классического компьютера. Это означает, что его можно использовать для многих параллельных вычислений в одном цикле вычислений. К сожалению, это также означает, что операция над кубитами вернет много результатов, которые отличаются почти случайным образом. Только серия одинаковых расчетов определит наиболее вероятные.
Создание квантовых алгоритмов для решения вышеуказанных задач – не единственная проблема.
Хрупкость физической системы также важна, так как ее квантовое состояние крайне нестабильно. Все, что вам нужно, это любое изменение температуры, вибрации, электромагнитные волны или любые другие физические стимулы для декогеренции. Так что, собственно, уничтожение всего компьютера путем изменения его свойств. Изменение квантового состояния означает, что тщательно разработанный квантовый алгоритм перестанет работать.
Поэтому квантовые компьютеры не только сложно программировать, но и крайне нестабильны – и это совершенно новый уровень нестабильности, чем непатентованный Windows ХР на левых драйверах. Вот почему, хотя мы говорим о квантовых компьютерах с 1980-х годов, мы все еще не используем их.
Поэтому преимущество квантовых компьютеров над классическими является очевидным и теоретическим. Мы пока не можем их построить, а создаем достаточно сложные структуры, чтобы все это имело смысл. Над этим работают многие компании, в том числе IBM, Intel и D-Wave. Microsoft даже уже имеет квантовый язык программирования Q #.
Но Google, как говорят, достиг квантового преимущества. Что именно она?
Предыдущий прототип квантовых компьютеров … работал. И это в основном то, что вы можете сказать о них. Их непостоянство и связанная с этим относительно низкая сложность привели к тому, что вокруг них появилось больше теорий, чем практик. Таким образом, ученые, занимающиеся этой темой, создали разговорный термин для квантового преимущества (Джон Прескилл первым использовал его в 2012 году). Его достижение было бы равносильно решению математической задачи, которая не была бы практически – из-за необходимого времени для расчетов – достижимой для классического компьютера. И, видимо, он достиг этого как первый Google.
Процессор Google Bristlecone представлен в прошлом году. Слева – его физическая форма, справа – иллюстрация, показывающая его распределение кубитов.
Мы пишем предположительно по двум причинам. Во-первых, многие скептики пессимистично оценивают необходимость вероятностной и статистической интерпретации квантовых компьютерных вычислений. У них есть большие сомнения, правильно ли масштабируются алгоритмы, подбирающие правильные вычисления, с количеством кубитов (и, следовательно, сложностью) самого квантового компьютера. Согласно общедоступным знаниям: мы этого не знаем. Поэтому, если Google покорил случайность квантовой механики, тем самым добившись квантового преимущества, он сделал это как-то ему известно.
Во-вторых, история достижения Google этого преимущества несколько загадочна. Он был первым, кто написал об этом в Financial Times, сообщив о том, что 54-кубитовый компьютер Google (фактически 53-кубитный, потому что один кубит оказался неработоспособным) выполнил серию математических вычислений за 200 секунд, которые традиционный суперкомпьютер решит за 10 тысяч. , года. Журналисты этого журнала, однако, использовали файлы, которые были размещены на серверах НАСА, с которыми работает Google. Вскоре после публикации эти документы исчезли, и Google в настоящее время не отвечает на вопросы СМИ.
Предположим, однако, что это правда – потому что это, вероятно, так. Что Google достигает квантового преимущества?
Все и ничего. Расчеты, сделанные квантовыми процессорами Google Sycamore, бесполезны. Задача компьютера состояла в том, чтобы сгенерировать набор двоичных цифр и проверить, является ли их распределение случайным. Итак, мы узнали, что квантовое преимущество реально, и что квантовые компьютеры действительно изменят мир. Но это произойдет, так как мы поработим их – и предстоит долгий путь. Тем более, что подозревается, что компьютер Google работает только потому, что он был создан специально для решения этой конкретной проблемы, которая ему была дана. И нет другого.
Квантовый компьютер Google
Тем не менее, даже если мы примем весь этот скептицизм, это все же заслуживающее внимания событие. Решение проблемы за 200 секунд, о которой самый быстрый суперкомпьютер мог бы придумать за сто столетий, является настоящим достижением. Нетрудно представить, как такая вычислительная мощь может изменить мир.
Неразрушаемые криптографические шифры становятся скудной защитой. Машинное обучение и искусственный интеллект будут развиваться невообразимым темпом. Квантовые компьютеры могли бы значительно продвинуть развитие техники, технологии и медицины, будучи способными создавать модели, которые включают отдельные молекулы в физические объекты. Кто знает, может быть, даже интерфейс Android TV начнет работать без сбоев. И давайте не будем забывать о квантовой передаче данных, позволяющей осуществлять связь без помех практически на любом расстоянии.
Достижения Google вселяют надежду, что этот прорыв в сфере ИТ произойдет в течение всей нашей жизни. Кто знает, может быть, даже в следующем десятилетии? На данный момент, однако, это первые несколько сотен метров марафона. Есть что праздновать, но путь к победе – и, следовательно, реальной пользе – еще далеко.
Add comment