Zdjęcia IBM
“Błękitnym oceanem” w biznesie nazywa nowe rynki, na których jeszcze nie ma konkurentów. To ocean możliwości, ale sposób w nim trzeba budować na własną odpowiedzialność i ryzyko. W ten oceanem zapowiadają się technologii kwantowych obliczeń, i, być może, rosyjskie firmy będą torowały w nim własny kurs
W 1990 потянувшиеся do Moskwy zagraniczni turyści ze zdziwieniem patrzyliśmy u handlarzy pamiątkami dziwaczne obliczeniowy urządzenie — wyniki. Ze względu na koleje historii to cud techniki zatrzymało się w naszym kraju nieco dłużej, niż powinien. Jednak dość szybko księgowości relikt zupełnie zniknął z gospodarstwa domowego: elektroniczny kalkulator okazał się bardziej praktyczne.
Teraz świat stoi na progu dokąd większego zamachu stanu — pojawienie się komputerów kwantowych. Aż i wyniki, i laptop, i superkomputery NASA przeprowadza obliczenia zgodnie z prawami fizyki klasycznej. Element kwantowego komputera — kubit — wykorzystuje paradoksy kwantowego świata, otwierając nowe wszechświaty obliczeń. Jeśli wierzyć niektórym fizykom, te “nowe wszechświaty” można rozumieć bardzo dosłownie.
Jak to działa
Komórka klasycznego komputera — bit — jest w stanie przyjmować dwa stany: zero lub jedynka. Ale powszechnie znana historia kota Schrödingera uczy, że w świecie kwantowym nie jest tak przysłowiowy kot może być żywy i martwy jednocześnie. Kwantowa komórka — kubit — też może być jednocześnie i jedynką i zerem. Dokładniej, jest ona w “superpozycji” tych stanów.
Być może, zrozumieć tylko zasada kwantowego komputera wyjaśnił brytyjski fizyk i jeden z pionierów kwantowych obliczeń David Deutsch. Skorzystał z “многомировой” interpretacją mechaniki kwantowej, zgodnie z którą kubit, znajdujący się w superpozycji dwóch stanów, to faktycznie wiele kolekcjonerzy, istniejących w równoległych wszechświatach. Niektóre z nich przyjmują wartość 0, inne — 1. W ten sposób zamiast jednego komputera otrzymujemy wiele, każdy w swoim równoległym wszechświecie. Zamiast wykonywania podobnych operacji konsekwentnie, wykonują je w tym samym czasie.
Jeden kubit pozwala korzystać z zasobów zaledwie dwóch wszechświatów: w jednej będzie zerem, w innej — jednostki. Ale im więcej kolekcjonerzy, tym większy zasób: 30 kolekcjonerzy dopuszczają dwa w trzydziestej stopnia, czyli około miliarda kombinacji zer i jedynek. Jeśli obliczać coś w miliardzie wszechświatów jednocześnie, że odpowiedź będzie miliard razy szybciej. I nawet jeśli przy tym nie fantazjować o równoległych wszechświatów, a po prostu policzyć wszystkie formuł, to wynik się nie zmieni: potencjalna wydajność komputera kwantowego jest znacznie lepszy od “klasyki”.
Zdolność запараллелить tego samego typu operacji sprawia, że komputer kwantowy jest szczególnie wygodne dla rozwiązania niektórych zadań. Jedna z nich — hacking szyfrów. Większość metod szyfrowania, w tym SSL-protokół w sprawie stosowania którego trąbi ostatnia litera skrót https w wierszu poleceń przeglądarki, opiera się na rozkładu dużych liczb na czynniki. Aby rozłożyć na czynniki 250-cyfrową liczbę, najszybszego współczesnego komputera potrzeba około 800 000 lat, dlatego nasze szyfry aż do bezpieczeństwa. Kwantowy komputer używa “łódź Шора” i rozwiąże zadanie za minutę (do tego będzie potrzebował zaledwie kilkaset kolekcjonerzy). Jednak i w większości typowych zadań kwantowa przyrost prędkości będzie bardzo widoczna — w momencie, kiedy uda się rozwiązać poważny inżynieryjnej problem.
Co temu przeszkadza
W naszym zwykłym świecie koty są ani żywe, ani martwe: aby wyświetlić system kwantowej ze stanu superpozycji, wystarczy czasem tylko jednego fotonu, np. w postaci ciepła. Nowoczesne pozdrawiamy oparte są na zawiasach сверхпроводника lub zimnych atomach, muszą utrzymać przy temperaturach około zera absolutnego, a jednak “spójnego stan” załamuje się w ułamku sekundy. A chciałbym, aby ten czas był nie mniej niż, który zajmie samo obliczenie. Techniczne trudności prowadzą do tego, że teraz sam “kwantową podwyżkę” w wydajności wykryć nie jest tak łatwo.
Jedynym komercyjnie dostępnym dziś kwantowy komputer, тысячекубитный kanadyjska firma D-Wave, zasadniczo, nie uniwersalny komputer, a symulator: on jest w stanie rozwiązać bardzo ograniczony zakres zadań.
Profesor uniwersytetu harvarda i współzałożyciel Rosyjskiego kwantowej centrum (zapytań ofertowych), Michał Łukin stworzył w Harvardzie 51-кубитную system. Jest ona przeznaczona tylko do badania kwantowych systemów, ale według własnego zamysłu już można uznać za prototyp przyszłego kwantowego komputera do rozwiązywania zadań praktycznych. Szacuje się, że jeśli naukowcy nauczą się wspierać superpozycji kwantowej кубита na czas nieokreślony, 50 kolekcjonerzy wystarczy, by przekroczyć prędkość najszybszym z nowoczesnych komputerów.
Co pomoże sztuczna inteligencja
We wrześniu 2017 r. w “Nature” ukazał się artykuł zespołu specjalistów w dziedzinie fizyki kwantowej, w tym Jakoba Биамонте z rosyjskiego Сколтеха: wskazywali oni, że komputery kwantowe mogą być wydajni dla uczenia maszynowego. Sztuczna inteligencja (AI) — która odbyła się technologia. Rynek produktów z użyciem szacuje Gartner w $1,2 bln usd w 2018 roku. Nagle okazało się, że to właśnie on jest w stanie pomóc kwantowym technologii zrealizować swój potencjał.
Rzecz w tym, że technologia AI zasadniczo odporne na głównego niedobór kwantowych systemów — wysokie prawdopodobieństwo błędów. Z drugiej strony, szkolenia AI wymaga ogromnych mocy obliczeniowych. A wysoka wydajność — charakterystyczną zdolność do komputerów kwantowych. Profesor Aleksander Lwowski, pracownik Uniwersytetu w Calgary i zapytań ofertowych, wyjaśnia: “Zadania uczenia maszynowego, z jednej strony, wymagają maksymalnej wydajności od nowoczesnych, klasycznych KOMPUTEROWYCH. Z drugiej strony, są one znacznie mniej podatne na błędy. W nauczaniu nowoczesnych sieci neuronowych często nawet specjalnie wprowadzają błędy, aby sieć, ucząc się na ograniczonym zestawie przykładów, nie “зацикливалась” na nich, a mogła po ukończeniu studiów pracować efektywnie i z takimi przykładami, które do tego nie “widziałam”. A głównym problemem obecnych procesorów kwantowych — właśnie kątem błędów. Stosując te procesory dla uczenia maszynowego, mamy nadzieję, że popełniane przez nich błędy nie pójdą sieciom neuronowym sieci zaszkodzić, a może nawet pójdą na korzyść. Możliwe, kwantowe maszyny “uczyć się” zadania sztucznej inteligencji szybciej, niż, powiedzmy, zadanie rozszyfrowania kryptografii z kluczem publicznym. To ogromna podczas gdy dziewiczy obszar dla nowych badań”.
Oprócz bezpośredniej pomocy w rozwiązywaniu zadań AI może mieć komputerom kwantowym jeszcze jedną przysługę — pomóc przekonać inwestorów. Twórcy AI często sami nie rozumieją, jak działa ich system, co nie przeszkadza jej skutecznie wykonywać ładować pracę. Ten przykład wyraźnie pokazuje, że rozwiązanie problemu może być poprzedzone jej szczegółowego zrozumienia. Michał Łukin wyjaśnia: “do tej pory do końca nie rozumiemy, jak działają sieci neuronowe. Dlatego inwestorzy spokojnie finansują w komputery kwantowe, zasady działania, których trudno zrozumieć finansiści: zdają sobie sprawę, że naukowcy później zorientują się, jak rozwijają się kwantowe pomysły”.
Czego się spodziewać
“Błękitnym oceanem” w biznesie nazywa nowe rynki, na których jeszcze nie ma konkurentów. To ocean możliwości, ale sposób w nim trzeba budować na własną odpowiedzialność i ryzyko. W ten oceanem zapowiadają się technologii kwantowych obliczeń, i, być może, rosyjskie firmy będą torowały w nim własny kurs.
UE, Ameryka i Chiny wyścig sprawiają, że inwestycje w tworzenie komputerów kwantowych. W 2017 roku UE przyjęła program rozwoju technologii kwantowych z finansowaniem €1 mld Chiny buduje Narodową laboratorium w kwantowym informacyjnych nauki za $10 mld, Aby w żadnym przypadku nie odstawać od Chin, w lipcu 2018 roku władze USA zwiększyły wydatki na ten kierunek: do roku wyodrębnia się z 2016 r $200 mln dodał 1,3 miliarda dolarów w ciągu najbliższych pięciu lat. Prywatne firmy, takie jak Google i IBM, inwestują własne środki, tworząc własne zabudowy i grup badawczych.
Wielkość inwestycji jest stosunkowo małe, ale na razie idą na badania i tworzenie prototypów. Jak tylko będzie wiadomo, jak zapewnić stabilną pracę komputerów kwantowych, inwestycje w ich produkcja wzrośnie o kilka rzędów wielkości.
Eksperci uważają, że wyprzedzić amerykańskie firmy w tworzeniu uniwersalnych komputerów kwantowych nie uda się nikomu. Jednak miejsce w nowym świecie może znaleźć się i do Rosji, a kluczem do tego jest krajowy doświadczenie zarówno w klasycznej technice, jak i w programowaniu systemów sztucznej inteligencji. W 2018 roku “Rosatom” obiecał utworzyć 100-кубитовый komputer. Tymczasem Gazprombank zainwestował $1,5 mln Złotych kwantowy centrum do opracowania projektu квантовому maszynowej uczenia się.
Zapytań ofertowych wybrał trzy kierunki w nauce kwantowej uczenia maszynowego. Po pierwsze, sztuczna inteligencja był w stanie pomóc bezpośrednio w opisie złożonych kwantowych systemów (kierownik grupy Aleksiej Blizn). Druga grupa (pod kierunkiem Lwowskiego) bada zastosowanie analogowych maszyn kwantowych zasadach do uczenia sieci neuronowych. Trzeci kierunek na czele Aleksiej Fiodorow, to rozwój oprogramowania platformy do obliczeń kwantowych i realizacji algorytmów uczenia maszynowego: w przypadku tworzenia “kwantowego żelaza” potrzebne narzędzia, aby szybko i efektywnie tworzyć aplikacje.
Zdaniem Michała Лукина, 2019 rok będzie rokiem kwantowej uczenia maszynowego: “Temat jest w pełni otwarta, cała praca do przodu”.