Наскільки квантові комп’ютери могутніше вашого ноутбука

Квантові комп’ютери повинні стати проривом в обчислювальній техніці. Вони повністю відрізняються від сучасних кремнієвих машин. Залишається питання, наскільки квантові комп’ютери можуть бути більш потужними, ніж звичайні ПК. Експерт Мюрей Те, який працює в компанії-розробника одного з перших квантових комп’ютерів D-Wave Systems, розповів про це.
З появою машин квантових кремнієві чіпи не втратять своєї актуальності. Квантові комп’ютери дозволяють швидше отримувати відповіді в симуляції типу Монте-Карло, машинному навчанні та проблеми оптимізації.
Всі ці проблеми вимагають перебирання великих масивів даних, що досить складно для кремнієвих процесорів. Ось одна з таких задач оптимізації: нехай є 5000 працівників. Серед них потрібно вибрати команду, яка покаже кращі результати. Щоб вирішити цю задачу комп’ютера доведеться перебрати багато змінних: індивідуальні особливості кожного працівника, його здатності при роботі в команді тощо.
Для квантового комп’ютера рішення такої проблеми не буде проблемою завдяки його конструкції. Він може у своїй пам’яті знайти всі можливі рішення, і серед них необхідно обрати найкращий варіант. Традиційний комп’ютер з кремнієвим чіпом має по одному шукати розв’язки, витрачаючи на це багато часу.
Два роки тому Google спільно з NASA купили квантовий комп’ютер D-Wave 2, який має 1097 кубітів. За їх підрахунками, на вирішенні задач оптимізації з 1000 змінних ця машина опинилася в 3600 разів швидше, ніж тодішні суперкомп’ютери. Це в 100 млн разів могутніше середнього ПК. Квантовий комп’ютер вирішував задачі оптимізації за кілька секунд.
D-Wave 2 є другим поколінням і в 300 тис. разів могутніше D-Wave One, який налічував 512 кубітів.
Як працює квантовий комп’ютер
Комп’ютери та смартфони сьогодні стали дуже швидкими завдяки тому, що їх процесори працюють на частотах в декілька гігагерц. Однак подальшого значного зростання швидкості очікувати не варто: кремнієва електроніка наблизилася до своєї межі. На заміну їй можуть прийти квантові комп’ютери – це машини нового покоління, які поки що знаходяться на початковому етапі розвитку. Однак вони вже обіцяють значний виграш в продуктивності. Як їм вдалося цього досягти і за якими принципами працюють квантові комп’ютери – читайте нижче.
Одним з місць, де сьогодні розробляють квантову обчислювальну машину, є лабораторія Station Q при Університеті Каліфорнії. Її очолює Майкл Фрідман (Michael Freedman), який вважає подібну технологію наступним проривом в комп’ютерній галузі. Адже квантові машини зможуть швидко вирішувати важкі завдання у сфері машинного навчання, медицини, хімії, криптографії, матеріалознавства та інженерії.
«Це може бути настільки радикальним, наскільки можна уявити, – говорить Фрідман. – Вона може мати найнесподіваніші наслідки в обчисленнях. Правда в тому, що ми не знаємо, які».
Особливості квантів
Квантові комп’ютери стали можливими завдяки ефектів, які спостерігаються на рівні атомів. Наприклад, на ньому інформація миттєво телепортується від одного кванта до іншого незалежно від відстані. Ось п’ять головних особливостей квантів, які роблять їх більш швидкими, ніж звичайні транзистори з кремнію:
у квантовому стані частинки можуть перебувати в суперпозиції – це існування в декількох формах одночасно (одномоментно вони є і нулем і одиницею);
завдяки цьому квантовий комп’ютер може швидше вирішувати завдання, які звичайним машинам знадобляться століття;
на мікроскопічному рівні частинки матерії можуть вести себе, як хвиля;
квантовий комп’ютер працює на основі кубіт – найменший елемент, який може приймати стан «1», «0» чи обидва одночасно;
квантові частинки можуть бути пов’язані один з одним незалежно від відстані.
Кванти замість транзисторів
Подібні ефекти дозволяють відійти від логічного принципу роботи машин Тюрінга, за яким побудовані всі сучасні комп’ютери оперують логічними поняттями нуля і одиниці.
«Всі наші машини незалежно від їх складності і можливостей паралельної роботи фактично є надбудовою над оригінальною машиною Тюрінга, – говорить Фрідман. – Це класична модель, а є квантова модель, в якій перескочити з одного стану на інший – це ніби зазирнути в основи світобудови за його лаштунки».
Квантовий комп’ютер – це дуже складна машина, проте вони дозволять вирішувати багато важливих завдань. Їх рішення на звичайних суперкомп’ютерах вимагало б більше часу, ніж існуватиме всесвіт, каже дослідник і менеджер відділу квантових обчислень Microsoft Research Кріста Свов (Krysta Svore). «Ми думаємо, що квантовий комп’ютер зміг би вирішити подібні проблеми за значно коротший час, можливо кілька років, днів або навіть секунд», – припускає вона.
Проблеми квантових машин
Одне з головних перешкод на шляху впровадження квантових обчислювачів – їх дуже велика чутливість до перешкод. Найменша зміна температури, зайвий електрон або попадання космічного випромінювання викликають зміну квантового стану кубіта, що знищує інформацію в ньому.
Подолати ці проблеми заважає те, що вони вимагають не тільки нових підходів, але й іншого типу мислення. «Квантова механіка – це фундаментальна мікроскопічна мову всесвіту. Вона нею розмовляє сама з собою, однак ми мислимо інакше. Люди схожі на класичні комп’ютери, – говорить Фрідман. – Розвиток квантових машин вимагає змінити стиль мислення класичної моделі на мову всесвіту».
Квантові комп’ютери намагаються створити у багатьох лабораторіях світу, проте в Microsoft це роблять з таким розрахунком, щоб в кінці можна було виготовити практичний продукт. Для цього її вчені не намагаються побудувати кубіт на основі фіксування спина електрона, як інші. Вони розробили новий підхід з корекцією помилок, який активно маніпулює кубітами.
«Все в світі є квантовою механікою, – каже Санкар Дас Сарма (Sankar Das Sarma). Він викладає фізику конденсованої матерії в Університеті Меріленда і разом з вченими Microsoft займається квантовим комп’ютером. – Ми просто намагаємося відійти від пасивного використання квантових законів до активного для створення чогось революційного».
Підхід, який розробляють вчені, дозволить зменшити вплив зовнішніх перешкод на кубіти. Сьогодні квантові комп’ютери нагадують піраміду: досить порушити одну цеглину, і завалиться вся будівля. За це збережена в кубітах інформація втрачається назавжди. У Microsoft намагаються зробити так, щоб пошкодження одного кубіта не впливала на інші.
Безмежне майбутнє квантових комп’ютерів
Квантові комп’ютери обіцяють бути дуже потужними обчислювальними машинами, які допоможуть вирішити багато складних проблем і, можливо, змінити весь світ. Самі вчені не можуть уявити, які можливості вони надають користувачам.
«У свій час голова IBM сказав, що не уявляє сценарій, в якому звичайній людині знадобиться доступ до комп’ютера, – каже Дас Сарма. – Сьогодні у моїй родині десять ПК. Квантовий комп’ютер зможе робити неймовірні речі, які ми не можемо передбачити сьогодні».