Не квантовать!
Пока что квантовые компьютеры создают больше проблем, чем их
решают. Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых
информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е
годы, когда те представляли собой нелепое нагромождение огромных ящиков, с
трудом обгоняющих ручные счеты. Например, квантовые кубиты настолько
нестабильны, что чувствительны к тепловому шуму материи, поэтому вычислительные
ячейки охлаждают жидким азотом.
Есть и принципиальные сложности: поскольку у кубита есть
определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0, всегда есть и
вероятность ошибки. Чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная
вероятность, что система выдаст неправильный ответ, поэтому зачастую приходится
проводить несколько расчетов одной и той же задачи или считать одну и ту же
задачу на нескольких компьютерах. Кроме того, в силу квантовой природы
вычислений, ответ всегда будет содержать в себе возможность ошибки, это
неустранимый фактор, хотя его можно минимизировать.
Не стоит забывать, что квантовые технологии в самом начале
своего пути. Но уже сейчас в них многие готовы вложиться.
Квантовые стартапы
Рост потока квантовых вычислений вызвал волну интереса инвесторов к связанным стартапам. По оценкам Роберта Сютора из IBM, в мире существует около 100 стартапов в области квантового программного обеспечения, аппаратного обеспечения и даже консалтинга. Это мало по сравнению с огромным рынком стартапов, но гораздо больше, чем раньше.
«Я в этой сфере очень долго, с самого начала, — заявил Монро из IonQ
— Долгое время она находилась в зачаточном состоянии, пока 5-8 лет назад не обратила на себя внимание, и привлекла огромные инвестиции. Стало понятно, что время пришло»
Крис Монро, генеральный директор и соучредитель стартапа квантовых вычислений IonQ. Фото: IonQ
Некоторые, как Rigetti, готовы сражаться на равных с техническими титанами, располая собственными квантовыми чипами и искусными системами квантовых вычислений.
«Это основа нашего бизнеса», — сообщила Business Insider Бетси Масиелло, вице-президент по продуктам в Rigetti. — В квантовом пространстве существует множество компаний, которые работают над программными приложениями в области квантовых вычислений. Мы производим микросхемы и строим вычислительные системы».
Мэтью Кинселла, управляющий директор Maverick Ventures, говорит, что он настроен оптимистично относительно области квантовых вычислений. Его компания зашла так далеко, что инвестировала в ColdQuanta, компанию, которая производит оборудование, применяемое в квантовых системах. Он ожидает, что через пять-десять лет квантовые компьютеры превзойдут сегодняшние системы. Maverick Ventures сделал ставку на долгосрочную перспективу.
“Я действительно верю в квантовые вычисления, хотя это может занять больше времени, чем ожидалось, прежде чем квантовый компьютер станет лучше, чем традиционный компьютер для решении повседневных задач. Скорее всего в ближайшие несколько лет мы будем получать преимуществах квантовых компьютеров в решении задач малого масштаба”, — сказал Кинселла.
D-Wave’s 2000Q Systems лаборатории. Фото: D-Wave
Кинселла, как и аналитики, с которыми мы говорили, в ожидании так называемой «квантовой зимы». Вокруг квантовых компьютеров может быть ажиотаж, но люди обнадеживают сами себя, предупреждают эксперты. Машины еще не совершенны, и пройдут годы, прежде чем инвесторы увидят результаты.
Qubits
Квантовый бит или кубит может представлять ноль, один или оба одновременно. Это основная единица квантовой информации и наименьшая возможная единица цифровой информации. Квантовая информация — это данные для квантовых состояний. Кубит может быть построен с использованием любой двухуровневой квантовой системы. Есть много способов построить кубиты. В отличие от транзисторов в классических вычислениях, мы до сих пор не знаем оптимального способа создания кубита
Это большое внимание в исследованиях квантовых вычислений
Мы можем манипулировать состоянием кубитов для выполнения значимых квантовых вычислений. Кубит может иметь много разных состояний. Одним из ключевых аспектов является то, что все квантовые операции должны быть обратимыми. Квантовые логические вентили — это базовые квантовые схемы, которые работают с небольшим количеством кубитов. Они являются строительными блоками квантовых схем и выполняют операции с кубитами. Квантовые схемы состоят из комбинации нескольких квантовых вентилей, применяемых к некоторым кубитам.
Superconducting qubits
Сверхпроводящие квантовые вычисления — это реализация квантовых вычислений. Такие компании, как Google, IBM и Intel, исследуют сверхпроводящие квантовые вычисления. Сверхпроводящие кубиты имеют более высокую скорость затвора и представляют собой твердотельные конструкции. Они являются наиболее продвинутыми из кубитовых технологий и построены с использованием существующих полупроводниковых технологий.
Путь к реализации
Для создания работоспособных квантовых вычислительных устройств необходимо пройти ряд этапов реализации. Мы должны построить рабочие кубиты – не только пять, но тысячи. Мы должны организовать структуру из квантовых вентилей и эквивалент проводов – если только мы не сможем заставить вентили действовать непосредственно на состояние во входном квантовом регистре. Все это сложные задачи, и график их решения непредсказуем.
К сожалению, проблемы связаны не столько с новизной проблем, сколько с законами квантовой механики и классической физики. Возможно, самая главная и наименее знакомая из них, называется декогеренцией. Роль кубит состоит в том, чтобы удерживать физический объект – например, ион, пакет фотонов или электрон — на месте, чтобы мы могли воздействовать на него и в конечном итоге измерять квантованную величину, такую как заряд или спин. Чтобы эта величина вела себя квантовым, а не классическим образом, мы должны иметь возможность ограничить ее состояние суперпозицией двух чистых базовых состояний, которые мы называли 0 и 1.
Но природа квантовых систем такова, что связывает их с вещами вокруг них, значительно увеличивая количество возможных базовых состояний. Физики называют такое размытие чистых состояний декогеренцией. Аналогией может быть когерентный лазерный луч в световоде, рассеивающийся на неоднородностях материала и размывающейся от суперпозиции двух мод в полностью некогерентный свет. Задачей создания физического кубита является как можно дольше предотвращать декогеренцию.
На деле это означает, что даже один кубит это сложный лабораторный инструмент, возможно, с использованием лазеров или высокочастотных радиопередатчиков, точно контролируемые электрические и магнитные поля, точные размеры, специальные материалы и, возможно, криогенное охлаждение. Его использование, по сути, является сложной экспериментальной процедурой. Даже при всех этих усилиях, сегодня это «как можно дольше» измеряется десятками микросекунд. Таким образом, у вас очень мало времени для выполнения квантовых вычислений, до того, как ваши кубиты потеряют свою согласованность. То есть, до того как информация исчезнет.
Сегодня эти ограничения исключают возможность больших квантовых регистров или проведения вычислений, для которых требуется более нескольких микросекунд. Тем не менее, в настоящее время в микроэлектронике ведутся исследования по созданию гораздо более обширных массивов кубитов и квантовых вентилей.
Однако сама эта работа несколько бессвязна, потому что пока нет определенности в отношении того, какое физическое явление использовать для хранения квантовых состояний. Существуют конструкции кубит, которые квантуют поляризацию фотонов, заряд электронов, захваченных квантовыми точками, чистый спин сверхохлажденных ионов в ловушке, заряд в устройстве, называемом трансмоном, и некоторые другие подходы.
Тип кубита, который вы выберете, естественно определит реализацию квантовых вентилей. Например, вы можете использовать взаимодействие радиоимпульсов с внутренними спинами в молекулах в ловушке или взаимодействие расщепителей пучков с фотонными модами в волноводах. Очевидно, что существо дела находится глубоко в области экспериментальной физики. И, как уже упоминалось, реализация кубитов или квантовых вентилей требует использования большого количества различного оборудования, от цифровой логики до лазеров или радиопередатчиков, антенн и до криогенных охладителей.
Реализация кубит также зависит, от того каким образом измеряется состояние кубит. Вам может потребоваться сверхчувствительный фотометр или болометр, мост сопротивлений или какое-либо другое невероятно чувствительное устройство для измерения кубитов и перевода состояния суперпозиции в базовое состояние. И, кроме того, этот процесс измерения состояния кубит вызывает еще одну проблему, незнакомую традиционным вычислениям: получение неправильного ответа.
Некоторые пояснения
Итак, что это за воображаемый компьютер, который нас интересует? Давайте сначала проясним некоторые недоразумения. Квантовый компьютер не является обычным компьютером, имитирующим квантовомеханические явления. Также это и не обычный цифровой компьютер, построенный из некоторых транзисторов (эпохи окончания закона Мура), настолько крошечных, что они хранят или переключают отдельные кванты энергии.
Вместо этого, квантовые компьютеры – это машины, основанные на уникальном поведении, описываемом квантовой механикой, и совершенно отличающимся от поведения классических систем. Одно из таких отличий – способность частицы или группы частиц в некотором отношении находиться только в двух дискретных квантовых базовых состояниях – назовем их 0 и 1. Мы обойдемся здесь без забавных скобок (обозначений принятых в квантовой теории – добавлено переводчиком) Примерами такого рода могут быть спин электрона, поляризация фотона или заряд квантовой точки.
Во-вторых, квантовые вычисления зависят от свойства суперпозиции – контринтуитивной способности частицы находиться в некоторой комбинации обоих базовых состояниях 0 и 1 одновременно, до тех пор, пока не произведено измерение. Как только вы измеряете такое состояние, оно превращается в 0 или 1, и вся остальная информация исчезает. Квантовая механика правильно описывает такое комбинированное состояние как сумму двух базовых состояний, каждое из которых умножается на некоторый комплексный коэффициент. Полная величина этих коэффициентов всегда равна 1. Такое состояние можно представить как единичный вектор, начинающийся в начале координат и заканчивающийся где-то на сфере, называемой сферой Блоха, которая приведена на рисунке 2. Ключевым моментом здесь является то, что квадрат (модуля – добавлено переводчиком) комплексного коэффициента для базового состояния 0 представляет вероятность того, что в результате измерения кубит будет обнаружен в базовом состоянии 0, аналогично для базового состояния 1. И когда вы производите измерение, вы всегда получите или точно состояние 0, или точно состояние 1.
Это (свойство суперпозиции – добавлено переводчиком) важно, потому что позволяет кубиту быть в обоих состояниях 0 и 1 одновременно. Следовательно, регистр, состоящий из n кубит, может одновременно «содержать» все возможные двоичные числа n бит длиной
Это позволяет квантовому компьютеру выполнять одну операцию не только с одним n-разрядным целым числом, но и со всеми возможными n-разрядными целыми числами сразу – очень существенный параллелизм по мере увеличения n.
В-третьих, квантовые вычисления зависят от способности квантового вентиля изменять эти коэффициенты и, следовательно, вероятность измерения какого-либо определенного числа – предсказуемым образом. Если вы начинаете с состояния, в котором все коэффициенты во всех кубитах равны, а затем измерите все кубиты в регистре, вы равновероятно найдете любую строку бит между строкой из одних нулей и строкой из одних единиц, включительно. Но запустив это начальное состояние через тщательно подобранную последовательность квантовых вентилей, квантовый компьютер может изменить эти коэффициенты так, что состояние, которое вы наиболее вероятно измерите на выходе, будет представлять собой результат некоторого вычисления, например, весьма вероятно, что вы измерите биты числа, которое является точным квадратом.
Следующий уровень. Квантовые однокубитные гейты Паули
Попробуем сравнить классические и квантовые вычисления в более серьезных задачах. Для этого нам потребуется еще немного теоретических знаний.
В квантовых вычислениях обрабатываемая информация закодирована в квантовых битах – так называемых кубитах. В простейшем случае кубит, как и классический бит, может находиться в одном из двух базисных состояний: |0⟩ (краткое обозначение для вектора 1|0⟩ + 0|1⟩) и |1⟩ (для вектора 0|0⟩ + 1|1⟩). Квантовый регистр представляет собой тензорное произведение векторов кубит. В простейшем случае, когда каждый кубит находится в одном из базисных состояний, квантовый регистр эквивалентен классическому. Регистр из двух кубит, находящихся в состоянии |0>, можно расписать в таком виде:
(1|0⟩ + 0|1⟩)*(1|0⟩ + 0|1⟩) = 1|00⟩ + 0|01⟩ + 0|10⟩ + 0|11⟩ = |00⟩.
Для обработки и преобразования информации в квантовых алгоритмах используются так называемые квантовые вентили (гейты). Они представляются в виде матрицы. Для получения результата применения гейта, нам необходимо умножить вектор, характеризующий кубит, на матрицу гейта. Первая координата вектора – множитель перед |0⟩, вторая координата – множитель перед |1⟩. Матрицы основных однокубитных гейтов выглядит так:
А вот пример применения гейта Not:
X * |0⟩ = X * (1|0⟩ + 0|1⟩) = 0|0⟩ + 1|1⟩ = |1⟩
Множители перед базисными состояниями называются амплитудами и являются комплексными числами. Модуль комплексного числа равен корню из суммы квадратов действительной и мнимой частей. Квадрат модуля амплитуды, стоящей перед базисным состоянием, равен вероятности получить это базисное состояние при измерении кубита, поэтому сумма квадратов модулей амплитуд всегда равна 1. Мы могли бы использовать произвольные матрицы для преобразований над кубитами, но из-за того, что норма (длина) вектора всегда должна быть равна 1 (сумма вероятностей всех исходов всегда равна 1), наше преобразование должно сохранять норму вектора. Значит преобразование должно быть унитарным и соответствующая ему матрица унитарной. Напомним, что унитарное преобразование обратимо и UU†=I.
Для более наглядной работы с кубитами их изображают векторами на сфере Блоха. В такой интерпретации однокубитные гейты представляют собой вращение вектора кубита вокруг одной из осей. Например гейт Not (X) поворачивает вектор кубита на Pi относительно оси X. Таким образом, состояние |0>, представляемое вектором, направленным строго вверх, переходит в состояние |1>, направленное строго вниз. Состояние кубита на сфере Блоха определяется формулой cos(θ/2)|0⟩+eiϕsin(θ/2)|1⟩
Квантовые вычисления и квантовые компьютеры
Во-первых, давайте определимся, что мы имеем в виду, когда говорим » квант». Термин » квант» происходит от изучения квантовой механики, области физики, изучающей физические свойства природы в небольшом атомном и субатомном масштабе. Это основа квантовой физики. Большая часть работ в этой области описывает поведение и значение мелких частиц, таких как атомы, электроны и фотоны.
Квантовые вычисления используют свойства квантовых состояний, такие как запутанность и суперпозиция, для выполнения вычислений. Крупные технологические компании, такие как IBM, Microsoft, Intel и Google, внедряют квантовые вычисления и инвестируют в них, а также проводят исследования в области квантовых вычислений. Мы по-прежнему многого не понимаем в квантовом мире, но мы знаем, что в квантовых вычислениях есть большой потенциал. Насколько мы понимаем, квантовые компьютеры могут хранить и обрабатывать большие объемы данных, а это означает, что у нас есть много вычислительной мощности для использования в областях, требующих сложных вычислений.
Квантовые компьютеры — это устройства, используемые для выполнения квантовых вычислений. Квантовые компьютеры содержат квантовые процессоры, которые могут изолировать квантовые частицы, чтобы ими можно было манипулировать и изучать. Есть разные способы управлять этими квантовыми частицами. Один из способов — охладить процессор до отрицательных температур. Другой способ — манипулировать частицами с помощью лазера.
Как работает квантовый компьютер?
Квантовые компьютеры основаны на квантовой суперпозиции. Суперпозиция позволяет квантовым объектам одновременно существовать в более чем одном состоянии или местоположении. Это означает, что объект может находиться в двух состояниях одновременно, оставаясь единым объектом. Это позволяет нам исследовать гораздо более богатые наборы состояний.
Квантовые компьютеры используют переплетение кубитов и вероятности суперпозиции для выполнения операций. Этими операциями можно манипулировать, увеличивая или уменьшая определенные вероятности, что приводит нас к правильным и неправильным ответам, которые мы ищем. Квантовые компьютеры имеют большой потенциал, чтобы взять на себя много различных путей.
Квантовый компьютер состоит из трех основных частей :
- Деталь, содержащая кубиты
- Деталь, передающая сигналы кубитам
- Классический компьютер, умеющий запускать программы и отдавать инструкции
Как упоминалось ранее, есть разные способы манипулировать квантовыми частицами. В некоторых квантовых компьютерах часть, в которой хранятся кубиты, поддерживается при температуре замерзания, чтобы улучшить когерентность и минимизировать интерфейс. В других квантовых компьютерах часть, в которой хранятся кубиты, находится в вакуумной камере, которая снижает вибрации и помогает сбалансировать кубиты. Часть квантового компьютера, передающая сигналы кубитам, может использовать микроволны, лазеры и напряжение для отправки этих сигналов.
Что такое квантовое превосходство? Многие организации, занимающиеся квантовыми вычислениями, работают над достижением квантового превосходства. Квантовое превосходство продемонстрировало бы квантовое устройство, способное решить проблему, которую ни один классический компьютер не может решить за приемлемое время. Несмотря на то, что современные квантовые компьютеры добились поразительных достижений, мы все еще не можем доказать квантовое превосходство для решения полезных, реальных проблем.
Квантовые вычисления. Физическая основа
А теперь перейдем к новой теме. Квантовые вычисления — это альтернатива классическим алгоритмам, основанная на процессах квантовой физики. Она гласит, что без взаимодействия с другими частицами (то есть до момента измерения), электрон не имеет однозначных координат на орбите атома, а одновременно находится во всех точках орбиты. Область, в которой находится электрон, называется электронным облаком. В ходе известного эксперимента с двумя щелями один электрон проходит одновременно через обе щели, интерферируя при этом с самим собой. Только при измерении эта неопределенность схлопывается и координаты электрона становятся однозначными.
Вероятностный характер измерений, присущий квантовым вычислениям, лежит в основе многих алгоритмов – например, поиск в неструктурированной БД. Алгоритмы данного типа пошагово увеличивают амплитуду правильного результата, позволяя получить его на выходе с максимальной вероятностью.
Промежуточные выводы
Запустив оба примера, мы получим один и тот же результат. На квантовом компьютере это займет больше времени, потому что необходимо провести дополнительную компиляцию в квантовоассемблерный код и отправить его на исполнение в облако. Использование квантовых вычислений имело бы смысл, если бы скорость выполнения их элементарных операций – гейтов – была бы во много раз меньше чем в классической модели.
Измерения специалистов показывают, что выполнение одного гейта занимает около 1 наносекунды. Так что алгоритмы для квантового вычислителя должны не копировать классические, а по максимуму использовать уникальные свойства квантовой механики. В следующей статье мы разберем одно из основных таких свойств — квантовый параллелизм — и поговорим о квантовой оптимизации в целом. Затем определим наиболее подходящие сферы для квантовых вычислений и расскажем об их применении.
Квантовые компьютеры
- Квантовые компьютеры — чрезвычайно захватывающая технология, подающая надежды на создание мощных вычислительных возможностей для решение ранее неразрешимых проблем.
- Эксперты утверждают, что IBM лидировала в области квантовых вычислений, поэтому Google, Intel, Microsoft и множество стартапов находятся под ее влиянием.
- Инвесторов привлекают стартапы в области квантовых вычислений, в их числе IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, которые смогут изменить этот рынок.
- Однако, есть загвоздка: современные квантовые компьютеры, как правило, не так мощны и не так надежны, как существующие сегодня суперкомпьютеры, а также им требуются особенные условия для запуска и загрузки.
В январе IBM произвела фурор, когда объявила о выпуске IBM Q System One, первой в мире модели квантового компьютера доступной для бизнеса. Устройство, было помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.
Это важная веха для квантовых компьютеров, которые до сих пор располагаются в исследовательских лабораториях. По мнению IBM, покупатели уже намерены взять в свои руки эту технологию, подающую надежды в разных областях: химии, материаловедении, производстве продуктов питания, авиакосмической промышленности, разработке лекарств, прогнозировании фондового рынка и даже в борьбе с климатическими изменениями.
IBM Q System One. Фото: IBM
Причина волнений заключена в том, что квантовый компьютер обладает, казалось бы, магическими свойствами, которые позволяют ему обрабатывать экспоненциально большей информацией, чем обычная система. Квантовый компьютер не просто очень быстрый компьютер, точнее, это совершенно другая парадигма вычислений, которая требует радикального переосмысления.
Победителем в гонке технологий станет та компания, которая воспользуется возможностями, предоставляемыми этой технологией. IBM, Microsoft, Google и другие технические гиганты, а также стартапы делают ставку на эту технологию.
Business Insider задал пару вопросов вице-президенту IBM Q Strategy and Ecosystem Бобу Сютору о том как сделать эти системы доступными для людей: как люди получат к ним доступ? Каким образом множество людей сможет научиться использовать квантовые компьютеры для выполнения своих задач?
Мало шансов увидеть квантовые компьютеры в офисе в ближайшее время. Эксперты, с которыми мы поговорили, считают, что, несмотря на то, что они доступны IBM, пройдет еще пять-десять лет, прежде чем квантовые вычисления действительно станут мейнстримом. IBM Q System One в настоящее время доступна только в качестве службы облачных вычислений для избранных покупателей. Пройдет еще какое-то время, прежде чем что-то подобное люди смогут приобрести и заставить работать в личных целях.
Действительно, эксперты уверяют, что квантовые компьютеры подают большие надежды, но они далеки от массового производства. Они чрезвычайно хрупкие и требуют специальных условий для работы. Более того, квантовые компьютеры сегодня не так надежны и не так мощны, как компьютеры, которые у нас уже есть.
«Мы считаем, что примерно через десять лет квантовый компьютер изменит вашу жизнь или мою, — заявил Business Insider Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. — На самом деле мы сейчас только на первой миле марафона. Это не значит, что мы не обеспокоены этим».
