28.01.2022

Кульбиты на кубитах. Когда появятся квантовые ноутбуки

Кульбиты на кубитах. Когда появятся квантовые ноутбуки

Участники гонки по созданию квантового компьютера лупят рекорд за рекордом.
Этап мелкомасштабных машин сзади, пришло время устройств из нескольких сотен и тыщ кубитов — в зависимости от платформы.
Кто сразит следующую вершину и когда человечество увидит мощнейшие вычислительные инструменты, поведал в лекции на Конгрессе молодых ученых в Сочи Алексей Федоров, двадцативосьмилетний доктор Физтеха и руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Русского квантового центра.
Революционный держите шагОсновная единица обработки инфы в квантовом компьютере — кубит.
Это квантовый аналог бита — суперпозиция нулей и единиц.
Число состояний, доступных в квантовом регистре, — 2 в степени n, где n — количество кубитов.
Устройство на 50 кубитах обладает мощностью традиционного суперкомпьютера, 280 кубитов уже дают больше ячеек памяти, чем атомов во Вселенной.
1-ая квантовая революция случилась давно: на квантовой физике работают транзисторы и лазеры.
Но там используются коллективные квантовые эффекты, затрагивающие огромное количество квантовых частиц.
В лазере это фотоны, кванты света, в транзисторе — электроны, носители заряда.
2-ая квантовая революция — переход к управлению отдельными степенями свободы квантовых систем и отдельными квантовыми объектами: фотонами, атомами, молекулами.
Это открывает новые способности.
Индивидуальные квантовые системы драматически отличаются от того, к чему мы привыкли в макромире.
«Квантовая монетка» может находиться в состоянии суперпозиции: сразу выпадать орлом и решкой, причем в случайных пропорциях, которые можно контролировать.
Квантовая запутанность — проявление очень сильной связи между квантовыми объектами.
Если мы сделаем две «квантовые монетки», то, зная состояние одной, сумеем осознать состояние другой.
На их статус оказывает влияние неконтролируемое воздействие окружения или наблюдателя. Потому для того, чтобы работать с квантовыми системами, их необходимо изолировать. Кроме того, заранее неизвестные квантовые состояния нельзя копировать.Квантовые вычисления позволяют обойти закон Мура. Квантовая коммуникация накрепко защитит передачу информации. Квантовые сенсоры зарегистрируют мельчайшее изменение электромагнитных полей и температуры.Базовый вопрос — что станет квантовым аналогом кремниевого транзистора. Нужно найти физическую систему с большим количеством квантовых объектов и высочайшим уровнем контроля над ними.Бешеная гонкаКвантовое приемущество — это возможность оперативно решить задачу, требующую у традиционного компьютера колоссального времени. На этом поприще развернулась реальная битва.Осенью 2019-го группа физика Джона Мартиниса из Гугл объявила, что пересекла финишную ленточку. Ученые утверждали, что их микропроцессор Sycamore на 53 кубитах справился за 200 секунд с задачей, которую мощный на тот момент суперкомпьютер Summit, способный делать 200 квадриллионов операций в секунду, решал бы 10 тысяч лет. Речь шла о моделировании случайных квантовых цепочек. Статью выпустили в журнале Nature. Впрочем, сотрудники IBM сходу же раскритиковали эту работу: по их воззрению, с помощью другого алгоритма Summit управится с поставленной задачей за несколько дней. Но ни те, ни другие не проводили традиционные вычисления в полном объеме. Наконец гордиев узел разрубили ученые из Института теоретической физики Китайской академии наук. В марте этого года они предложили новый метод и решили ту же задачу на вычислительном кластере из 60 графических микропроцессоров NVIDIA Tesla V100 с 32 гб памяти. Расчеты заняли всего пять дней, при этом точность существенно превысила ту, которой достигнул Sycamore.В 2020-м о квантовом приемуществе сообщила группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Пана из Научно-технического института в Шанхае. Их фотонный процессор Jiuzhang за 200 секунд решил задачку бозонного сэмплинга, на которую суперкомпьютеры, по расчетам ученых, издержали бы миллиарды лет. Статью напечатали в журнальчике Science.Недавно группа Цзянь-Вэй Пана отчиталась о 2-ух новинках: Jiuzhang 2.0, по их оценкам, действует в 10 миллиардов раз быстрее предшественника, а с помощью сверхпроводникового квантового микропроцессора Zuchongzhi на 66 кубитах исследователи получили за час с маленьким результат, для которого мощнейшему суперкомпьютеру, по их оценкам, будет нужно восемь лет.В ноябре IBM объявила об следующем рекорде — квантовом процессоре Eagle на 127 сверхпроводниковых кубитах. Но этому устройству еще только предстоит показать себя в деле. В 2022-м компания планирует выпустить квантовые чипы Osprey с 433 кубитами, через два года — Condor с 1121 кубитом.Квантовые компы IBM находятся в публичном облачном доступе. На их проводят миллионы экспериментов. Кроме того, это принципиальный инструмент в образовании. Студенты, которые пишут дипломные работы в Русском квантовом центре, часто используют платформу IBM. От квантового компьютера IBM нас отделяют всего несколько кликов в браузере. Интерфейс на веб-сайте выглядит достаточно просто. Можно инициализировать кубиты, как на нотном стане выставлять одно- и двухкубитные операции, а далее запускать их либо на реальном квантовом «железе», или на эмуляторе квантового компьютера.Многообразие «железа»Есть и другие разновидности квантовых компов. Например, в Intel перешли от сверхпроводниковых к полупроводниковым квантовым вычислениям и показали четырехкубитный квантовый процессор. Эксперимент проходил при криогенных температурах. Развернулась гонка меж германиевыми и кремниевыми транзисторами.Кубитами имеют возможность быть и холодные нейтральные атомы, пойманные в оптические ловушки. Не так давно ученые под руководством профессора Гарвардского института Михаила Лукина собрали компьютер на 256 кубитах. Миша и его коллеги основали стартап QuEra Computing, надеясь коммерциализировать эту технологию и сделать такие квантовые устройства доступными для наружных пользователей.Еще на роль кубитов годятся ионы, тоже в особых ловушках. В частности, это направление развивает южноамериканская компания IonQ. У технологии есть достоинства, однако возникает проблема масштабирования: трудно изловить сразу много ионов, поэтому нужно обеспечить взаимодействие меж несколькими ловушками.Альтернативный подход — адиабатические квантовые компы, устройства квантового отжига. Недавно компания D-Wave представила устройство на 5 тысячах кубитов. Пока в этих машинах нет личного контроля над каждым кубитом, однако их интенсивно используют для прикладных задач. Квантовый компьютер D-Wave даже появился на обложке журнальчика Time.Первый прототип квантового компьютера в Рф заработал в 2019 году. Принята дорожная карта по развитию квантовых вычислений, предполагающая улучшение квантовых процессоров на широком спектре платформ.Взломщик и созидательСфера внедрения квантовых компьютеров очень широка. Во-первых — задачки оптимизации логистики и финансов. D-Wave уже употребляют, скажем, для сборки небольшого портфеля инвестиций с наименьшими рисками и максимальной доходностью, а также для регулирования городского автотранспортного трафика по заказу компании Фольксваген.Во-вторых — алгоритмы машинного обучения, нейронные сети.В-3-х — моделирование других квантовых систем и создание средством этого новых медикаментов, промышленных материалов. Есть догадка, что многие полезные вещества еще не синтезировали из-за того, что моделирование соответственных химических соединений крайне сложно. На это показывает анализ распределения молекулярных весов уже узнаваемых лекарств. Автопроизводители с помощью квантовых компов уже ищут новые вещества для аккумов.Есть задача, решение которой, как шутят, окупит все вложения в квантовые вычисления. Это оптимизация получения аммиака средством изучения структуры химических процессов, способная уменьшить потребление энергии в мире на два-три процента в год. Но, по текущим оценкам, для этой задачки нужно около четырех миллионов кубитов. С другой стороны, кроме прогресса с аппаратным обеспечением, есть прогресс с методами, снижающими требуемые ресурсы.Четвертая область — тайнопись. Большинство современных криптографических алгоритмов основано на том, что нереально быстро разложить число на простые множители. Традиционным компьютерам для этого требуются миллионы лет. Потому такого рода алгоритмами защищают данные, к примеру, в интернете. В середине девяностых южноамериканский математик Питер Шор предложил алгоритм разложения числа на обыкновенные множители для квантового компьютера. Устройство на 20 миллионах физических кубитов способно взломать криптографический ключ RSA длиной 2048 битов всего за восемь часов. Естественно, современным маломощным квантовым компьютерам этот орех не по зубам.Алексей Федоров и его коллеги интенсивно сотрудничают с коммерческими компаниями. Совместно с Genotek спецы РКЦ исследовали возможность ускорить сборку генома. C помощью квантового компьютера получилось собрать геном бактериофага. Работа с Nissan посвящена моделированию хим реакций. С фармацевтическим стартапом Gero сделали гибридный квантово-классический метод машинного обучения, позволяющий получать новые хим соединения. Кроме того, РКЦ взаимодействует с «Росатомом».Что день грядущий нам готовитЭпоха мелкомасштабных квантовых компов — от двух до десяти кубитов — сзади. Эти устройства широко применяются в образовательных и научных целях.Наступил шаг так называемых шумных квантовых процессоров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ). В их десятки или сотни кубитов. Шумные — поэтому что системы все еще работают нестабильно из-за внешних помех. Квантовое превосходство показывают на абстрактных задачах с весьма ограниченной практической ценностью. Здесь пока много открытых вопросов — и научных, и инженерных.Последующий уровень — квантовые компьютеры с коррекцией ошибок. Появятся ли когда-нибудь квантовые ноутбуки и телефоны? Сейчас легко ошибиться с предсказанием. Быстрее всего, квантовые компьютеры все-таки станут нишевым приложением для определенного класса математических задач. Воспользоваться ими будут через облачный сервис. Но очень трудно предугадать на старте экспоненты, куда двинется мир. По сообщениям ria.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *