Ось що квант животворящий робить



Сьогодні квантові обчислення — один із стратегічних напрямів розвитку, якому приділяють велику увагу великі корпорації та наукові центри. І хоча у пресі час від часу повідомляється про чергові досягнення щодо створення квантових комп'ютерів, поки що мова йде, в основному, про експериментальних виробах для відпрацювання ідей і технологій. Використовувати такі комп'ютери в життя поки важко. Але цілком ймовірно, що саме в 2017 нас чекає прорив у сфері практичного застосування квантових комп'ютерів.

Хвилинка лікнепу
На всяк випадок нагадаємо, що таке квантові обчислення. Класичні комп'ютери виконують обчислення за допомогою бітів, які можуть бути в одному з двох станів — 0 або 1. У квантових обчисленнях використовуються квантові біти — quantum bit, qubit, кубіт. Завдяки явищу квантової суперпозиції кубіти можуть перебувати в одному з трьох станів — 0, 1, 0 і 1 одночасно. Це дозволяє квантових комп'ютерів вирішувати певні типи складних алгоритмічних завдань, які звичайними комп'ютерами або взагалі не вирішуються або вирішуються дуже довго.

Сьогодні існує кілька різних підходів до отримання кубітів, кожен з яких має сильні і слабкі сторони. Наприклад:

Надпровідні контури — елементи, в яких без втрат циркулює електричний струм. Управляються зовнішнім джерелом мікрохвильового випромінювання. Можуть бути побудовані на промислових суперпроводниках, але дуже нестабільні і вимагають підтримки наднизької температури.

Іони у вакуумних пастках — з допомогою лазерів можна змінювати енергію іонів і переводити їх у стан суперпозиції. Дуже стабільні, але працюють не дуже швидко і не потребують використання великої кількості лазерів.

Кремнієві квантові точки — електрони додаються до крихітним шматочків кремнію, управління відбувається за допомогою зовнішнього джерела мікрохвильового випромінювання або лазерами. Стабільні, створюються на промислових напівпровідниках, але потребують підтримки наднизької температури і погано піддається масштабуванню.

Топологічні кубіти — у поведінці електронів, які подорожують по напівпровідникових структур, можна виділити патерни, з допомогою яких можна кодувати квантову інформацію. Ця ідея відрізняється низьким рівнем помилок, але її достовірність не підтверджена.

Азото-заміщена вакансія в алмазі — дефект кристалічної гратки алмазу, що пов'язується з атомом азоту. Управління лазером. Працює при кімнатній температурі, але важко масштабувати.

Сила квантових комп'ютерів полягає в експоненційної масштабованості їх обчислювальної потужності. Двухкубитные машини одночасно виконують 4 обчислення, трехкубитные — 8 обчислень, 4-кубитные — 16, і так далі. Перспективність квантових комп'ютерів така, що один процесор на 50-60 кубітів в ряді завдань може бути більш продуктивним, ніж китайський суперкомп'ютер Тяньхэ-2, займає площі розміром з половину футбольного поля, споживає 20 мегават енергії і коштував близько $400 млн.



Експерти очікують появи квантових обчислювальних пристроїв, здатних конкурувати з суперкомп'ютерами, протягом найближчих півтора років.

На порозі революції
Над створенням квантових комп'ютерів сьогодні працюють Google, Lockheed Martin, Лабораторія в Лос-Аламосі, Microsoft, IBM, Intel, Rigetti Computing, D-Wave і багато інші корпорації, компанії і лабораторії. Згідно думку аналітиків Gartner, технології квантових обчислень знаходяться на ранньому етапі свого розвитку:



Квантові комп'ютери досягнуто «плато продуктивності» більш ніж через десять років. А це означає, що в 2017-2018 роках вельми вірогідна поява перших зразків, які будуть більш універсальні у застосуванні. Справа в тому, що сучасні розробки абсолютно непрактичні для повсякденного застосування. Кубіти нестійкі і можуть легко бути виведені зі стану суперпозиції, а самі квантові комп'ютери являють собою складні установки, дуже вимогливі до параметрів навколишнього середовища.

Крім того, квантові комп'ютери надзвичайно складні у програмуванні, оскільки для цього потрібні дуже специфічні знання. Для переважної більшості практичних задач доводиться використовувати проміжні засоби перетворення мови в квантових комп'ютерів, що зводить на «ні» їх головна перевага — неймовірну продуктивність. Тому розвиток квантових технологій йде за двома напрямками: вдосконалення апаратної частини і розробка нових підходів до програмування.



Квантові комп'ютери в маси
У минулому році IBM запустила хмарний сервіс, що дозволяє запускати програмне забезпечення належить корпорації квантовому комп'ютері. А один з найвідоміших розробників квантових комп'ютерів, канадська компанія D-Wave створила open source-інструмент Qbsolv. Він покликаний допомогти розробникам програмувати комп'ютери D-Wave без необхідності заглиблюватися в нетрі квантової фізики. Qbsolv можна назвати спробою надати людське обличчя квантовим програмування. Це дуже правильний крок, адже враховуючи складність, новизну і незрозумілість квантових обчислень, мало хто з IT-фахівців в повній мірі усвідомлює важливість цієї технології, наскільки вона здатна змінити наше життя.

Близько року тому з'явився й інший безкоштовний інструмент — Qmasm, полегшує тягар написання коду для комп'ютерів D-Wave. Він позбавляє програміста від необхідності думати про адресації конкретного заліза. Обидві ці ініціативи — Qbsolv і Qmasm — покликані привернути увагу спільноти розробників до вирішення проблем, характерних для квантових обчислень. Правда, щоб запустити створені за допомогою цих інструментів програми вам потрібен буде доступ до одного з комп'ютерів D-Wave, але можна скористатися і доступним для скачування симулятором. Звичайно, це нерівноцінні варіанти, але хоч щось для початку.



Квантові комп'ютери D-Wave сьогодні вважаються одними з найбільш просунутих. Вони побудовані на принципі квантового відпалу (квантової релаксації) і призначені для дуже вузького спектра завдань: вирішення питань оптимізації. Класичний приклад — задача комівояжера: обчислення найкоротшого замкнутого маршруту, що проходить по всім заданим точкам.

Кілька років тому машини D-Wave піддавалися масової критиці, і навіть ставилася під сумнів їх квантова сутність. У 2013 році консорціум Google і NASA придбав квантовий комп'ютер D-Wave. У 2015-му фахівці Google опублікували наукову роботу, в якому підтвердили, що комп'ютер D-Wave дійсно використовує для своїх обчислень квантовий ефект, і якусь конкретну вузьку задачу може вирішувати в 100 млн разів швидше звичайних комп'ютерів. Тепер скептики в основному сумніваються, чи може комп'ютер D-Wave в цілому працювати швидше звичайних комп'ютерів, і є що лежить в його основі принцип більш ефективним, ніж підходи IBM і інших розробників.

Від квантів до штучного інтелекту, суперлекарствам і інших благ
Масла у вогонь підливають висловлювання розробників D-Wave, згідно з яким їх дітище не обов'язково пропонує найбільш ефективне рішення задач по оптимізації. Суть в тому, щоб дати рішення, можливо, не ідеальний, але зробити це дуже швидко. Тобто основне призначення квантових комп'ютерів D-Wave — рішення таких завдань, для яких критична швидкість знаходження рішення, а не його точність.

Під це визначення підходять численні завдання у сфері штучного інтелекту. Машинне навчання здебільшого вирішує проблеми «розпізнавання патернів». Алгоритми перелопачують великі набори даних в пошуках сигналів у шумі, і необхідно максимально збільшити кількість порівнянь у пошуках кращої моделі опису цих даних. Квантові комп'ютери могли б вирішувати подібні завдання на порядки ефективніше, одночасно порівнюючи величезну кількість даних та їх перетворення. Це дозволило б набагато швидше прийти до набагато більш потужним форм штучного інтелекту.



Правда, можна назвати як мінімум одну сферу, для якої розвиток квантових комп'ютерів є не благом, а кошмаром — криптографія. Багато алгоритми, стійкість яких ґрунтується на колосальній тривалості перебору можливих варіантів з допомогою класичних комп'ютерів, з впровадженням квантових обчислень вмить перестануть бути надійними. З цієї причини, наприклад, американський Національний інститут стандартів і технологій закликав уряд до 2025-му році бути готовим перейти на «постквантовую» криптографію. Майкл Моска, співзасновник Інституту квантових обчислень в Університеті Ватерлоо, а також співзасновник компанії EvolutionQ, прийшов до висновку, що з вірогідністю близько 14% до 2026 році будуть створені квантові комп'ютери, здатні зламувати алгоритми шифрування, які сьогодні використовуються в критично важливих системах. Іншими словами, років через 10 криптографія в її сучасному вигляді може просто перестати бути актуальною. З іншого боку, квантові обчислення дозволять створити нові, небачені раніше алгоритми.



Інша найважливіша сфера застосування квантових комп'ютерів — моделювання складних молекулярних взаємодій на атомарному рівні. Скоро ми зможемо змоделювати всі 20 тис. протеїнів, закодованих в людському геномі, і почнемо вивчати вплив на них ліків, як існуючих, так і тих, що будуть створені. Така глибина моделювання дозволить розробити засоби від хвороб, які сьогодні вважаються невиліковними.

Моделювання взаємодій на атомарному рівні дасть нам можливість створювати нові матеріали з небаченими характеристиками. Можливо, ми зможемо виробляти більш ефективні суперпроводники, більш потужні магніти, більш ємкі і компактні акумулятори, і так далі.

Квантові комп'ютери дозволять підняти на новий рівень наше розуміння пристрою біологічних систем, перебігу різних процесів, властивих об'єктам живої природи. Біоміметика породить нові неймовірні винаходи, у тому числі нові матеріали, більш ефективні системи зберігання енергії, всілякі машини і пристрої, що використовують принципи руху різних птахів, тварин і комах.

Іншими словами, квантові комп'ютери будуть одним з найважливіших факторів, які наближають настання технологічної сингулярності. Що буде після — не може передбачити ніхто. Це ніби горизонт подій для нашої цивілізації. І ми мчимо до нього на всіх парах. Замість епілогу ловіть тематичну картиночку.


Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.