Fot. Getty Images
Przyniósł nowy kwantowy komputer IBM długo oczekiwany rewolucję w komputerowych systemach?
Na początku roku firma IBM poinformowała o wydaniu pierwszej zintegrowanego uniwersalnego handlowego kwantowego komputera IBM Q System One. Czy można oddać na złom tradycyjne systemy obliczeniowe?
Firma już wcześniej oferowała dostęp dla wszystkich, którzy chcą do swoich kwantowym systemów, ale miały one mniejszą moc. W Q System One 20 kolekcjonerzy — elementarnych jednostek obliczeniowych, których teoretycznie wystarczy, aby pracować z prędkością najlepszych współczesnych superkomputerów, zatrudniających setki metrów kwadratowych, chociaż system IBM mieści się w kostkę o boku 2,74 cm
Niestety, za wcześnie, aby cieszyć. Niektórzy sceptycy wątpią, czy można taki komputer zrobić, w zasadzie, tak jak do pracy uniwersalnego komputera kwantowego należy odizolować układ od środowiska zewnętrznego, a to bardzo, bardzo trudne, ale konieczne do tego, aby pracowali kwantowe efekty. A już na pewno IBM nie jest pierwszą, która wprowadziła na rynek “komercyjną system kwantowej” (tak w oficjalnym ogłoszeniu nazywała model Q System One).
Zarabianie kwantów
Проектирующая kwantowe systemy firma D-Wave pojawiła się na rynku w 1999 roku. Swoje pierwsze urządzenie firma wprowadziła na rynek w 2007 roku, a “pierwszą komercyjnie dostępną system”, czyli produkt, który można kupić klienci, w 2011-m.
Pomimo imponująca lista komercyjnych i matematycznych osiągnięć D-Wave, od 2007 roku nie cichną spory, czy system D-Wave kwantowej, czy daje ona istotny wzrost prędkości, czy jest w nim kwantowa zamieszanie. Na przykład, w 2014 roku IBM postawiła pod znakiem zapytania fakt, że D-Wave wykorzystuje kwantowe efekty.
Jak by nie było, systemu D-Wave z powodzeniem sprzedawane. Wśród klientów Google, Volkswagen, NASA i inne firmy i ośrodki naukowe. Na dziś najbardziej nowoczesny system zawiera 2000 kubit, na niej udało się rozłożyć na czynniki pierwsze liczbę 376 289, że znacznie więcej, niż u konkurencji.
Prawda jest taka, że system IBM jest zasadnicza przewagę nad D-Wave: to kwantowy komputer, a nie адиабатический lub kwantowy komputer. Różnica jest nie tylko w słowach. Kwantowy komputer może rozwiązać tylko jeden problem — szukaj minimum określonej funkcji. On może to robić bardzo dobrze i potencjalnie szybciej jakiegokolwiek komputera standardowej architektury. Jeżeli ta funkcja jest potrzebna, system staje się cenne. Ale jeśli nie można jej zastosować, to pozostaje narzędziem edukacyjnym.
Kwantowy komputer można dostosować do każdego zadania. Na przykład, sen i ból wszystkich криптографов — rozłożyć liczbę na czynniki algorytmem Шора: to otwiera drogę do szybkiego i efektywnego procesu dekodowania szyfrów. Dla klasycznych algorytmów jest to tak trudne zadanie, że istniejącym суперкомпьютерам wymaga co najmniej lat na otwarcie istniejących szyfrów. Idealny kwantowy komputer potencjalnie może to zrobić w krótkim czasie. Ale chodzi o kulistym koniu w próżni”: prawdziwe urządzenia w obliczu wielu trudności w wyrażaniu swoich umiejętności.
Jak one działają
Teoretycznie kwantowy komputer może pracować na porządki, w miliardy razy szybciej tradycyjnych półprzewodników. Dzieje się to kosztem tego, że kwantowy komputer działa nie zwykłymi kawałkami, a kwantowej nietoperzy lub кубитами, przy czym w szczególnym stanie, zwanym kwantowej zaangażowaniem.
Bit, komórka tradycyjnego systemu, ma stan zero lub jedynka. Kubit ma raz stan zero i jedynka, a najważniejszy parametr (i to jest najważniejsza różnica) — prawdopodobieństwo znalezienia кубита w stanie zero lub jedynka.
Każdy bit w klasycznym komputerze może być dane tylko sam w sobie, podczas gdy w kwantowym komputerze pozdrawiamy mogą się zjednoczyć i być w stanie kwantowej zaangażowanie, umożliwiającej gwałtownie zwiększać ich moc obliczeniową. W zeszłym roku było pokazane, w jakich warunkach kwantowe systemy wyprzedzić klasyczne.
Kiedy pozdrawiamy znajdują się w niejasnym stanie, trzy wystarczą, aby zrobić tyle samo obliczeń, ile za pomocą 8-bitowych systemów. W ogóle do tego, aby porównać ilość przechowywanych informacji w kwantowym komputerze z normalnym, można skorzystać z wzoru: n kolekcjonerzy = 2 do potęgi n zwykłych bitów. Na przykład, 3 кубита — 8 bitów, 10 kolekcjonerzy — 1024 bity, 100 kolekcjonerzy — liczba z 30 zerami, że pasowała by klasycznego полупроводниковому komputera wielkości Księżyc. Tradycyjne superkomputery nie są w stanie być sterowane z taką ilością informacji: to w 7 milionów razy więcej, niż tylko danych na Ziemi do 2024 roku. Należy pamiętać jednak, że porównanie “w łeb” wydajność klasycznego i kwantowego komputera poprawnie: maszyny te używają zasadniczo różne algorytmy, i to właśnie od skuteczności konkretnego algorytmu zależy szybkość tego lub innego obliczenia.
Główną zaletą komputerów kwantowych — jednoczesne traktowanie wszystkich zer i jedynek. Teoretycznie pozwala to rozwiązać każdy problem. Ale, aby informacje кодировалась i była obrabiana w powiązaniach między кубитами, każdy z nich musi znajdować się w stanie kwantowej zamieszanie, a wszystkie razem muszą się znajdować w tzw. stan. W ten sposób, spójnego stan — jeden z głównych wymogów kwantowych obliczeń. I jedna z najbardziej złożonych zadań inżynierskich — zachowanie spójności. Jak jest z tym u IBM i innych producentów systemów?
Co oni potrafią
Najbardziej perspektywiczne kierunki wykorzystania komputerów kwantowych: nowe materiały i modelowanie cząsteczek, kwantowa kryptografia, zadania logistyki. Według stanu na dzisiaj postęp w nich jest niewielki.
W dziedzinie chemii korzystanie z komputerów kwantowych pozwoliło by modelować nowe substancje i materiały (leki z określonymi cechami, метаматериалы, posiadające niezwykłe właściwości, takie jak niewidzialność w różnych widma, itp.).
W marcu 2018 roku firma IBM poinformowała, że najbardziej skomplikowana cząsteczka, którą przedsiębiorstwa są w stanie symulować na komputerze kwantowym, — гидрид berylu BeH2, czyli substancja, która zaledwie trzy atomu. Dla porównania: firmy farmaceutyczne pracują z cząsteczek, które zawierają od 50 do 80 atomów. Aby modelować interakcje leków z komórkami organizmów, trzeba modelować zachowanie tysięcy atomów.
W kryptografii — obszar, z którego zaczęły się infuzji środków w badania, — istnieją dwa główne algorytmu, które teoretycznie pozwalają otwierać klasyczne szyfry, takie jak RSA, który jest używany, na przykład, w szyfrowaniu transakcji bankowych. To łódź Шора, który może pracować na uniwersalnych kwantowych komputerach, takich jak sugerują rynku IBM i Google, i algorytm na bazie kwantowej wyżarzania, który działa na D-Wave. Uważa się, że nowoczesny algorytm szyfrowania RSA z kodowaniem 1000-bitowym kluczem niemożliwe do złamania za przewidywalnej czas za pomocą doboru na tradycyjnych superkomputerach. Idealny kwantowy komputer z kilku tysięcy kolekcjonerzy włamał się by szyfr w krótkim czasie. Ale wracając do rzeczywistości.
Ze względu na wpływ środowiska zewnętrznego na pozdrawiamy когеренция między nimi jest uszkodzony kilku milisekund — obliczenia odbywają się z błędami. W rezultacie do łamania szyfru RSA, zawierającego 1000 bitów, przy osiągniętych w nowoczesnych urządzeniach czasach когеренции algorytmu Шора wymaga system, zawierający od 5 do 100 mln kolekcjonerzy. Na dzień dzisiejszy maksymalna liczba kolekcjonerzy na uniwersalnym kwantowym komputerze wynosi 50 IBM i 72 Google. Postęp jest taki, że na czynniki pierwsze udało się rozłożyć liczbę 56 153. Jest to liczba w zapisie zawiera 16 bitów. Kryptolodzy na razie mogą spać spokojnie.
Największe korzyści z komputerów kwantowych otrzymywali firmy, których działalność skupia się wokół sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego. Okazało się, że algorytmy te mniej wymagające precyzji, a to prędkość — krytycznie ważnym elementem do tego, aby szybko zaoferować ci najlepszą trasę pobrany mieście lub odebrać towar, który można umieścić w następujący do koszyka. Tu jest jakiś postęp: na przykład, Google wykorzystał algorytm wyszukiwania punktów wspólnych na dwóch obrazach. Ale i w tym przypadku do zastosowań przemysłowych kwantowych systemów jeszcze daleko.
Wyniki
IBM zbudował komputer kwantowy, który wciąż nosi w sobie wszystkie możliwe ograniczenia: pozdrawiamy nie rekordowo są stabilne, a ich samych nie rekordowa liczba. Ale to pełny kwantowy komputer, na którym można rozłożyć шестизначное liczbę na czynniki pierwsze i przeprowadzać inne eksperymentalne obliczenia przy użyciu dobrze znanych naukowcom-“датасайентистам” środków.
Można porównać nowoczesne komputery kwantowe z technologiami rakietowymi 1940 roku: wielkie generują dużo hałasu, w tym w masowej świadomości (pamiętajmy niemieckie “V-2”), ale zbyt niedokładne i nieefektywne, aby przynosić wymierne efekty. Mało kto w 1940 zdawał sobie sprawy z tego, że rakiet będzie mniej niż 15 lat, aby wyjść w kosmos. Można się spodziewać, że mniej więcej tyle samo czasu potrzeba, aby komputery kwantowe z ich dzisiejszego stanu “treningowych zabawek dla naukowców”, jak ich określił główny konstruktor firmy D-Wave, zamieniły się w skuteczne narzędzia pracy.
Ten artykuł został napisany przy udziale kierownika grupy Kwantowe symulatory i zintegrowany fotonika” Rosyjskiego Kwantowej Centrum Aleksieja Akimowa.
redakcja poleca
Do czego potrzebny jest komputer kwantowy?