Квантовий процесор: опис, принцип роботи
Про квантових обчисленнях, принаймні в теорії, говорять уже кілька десятиліть. Сучасні типи машин, які використовують некласичні механіку для обробки потенційно немислимих обсягів даних, стали великим проривом. На думку розробників, їх реалізація виявилася, мабуть, найскладнішою технологією з коли-небудь створених. Квантові процесори працюють на рівнях матерії, про які людство дізналося всього 100 років тому. Потенціал таких обчислень величезний. Використання химерних властивостей квантів дозволить прискорити розрахунки, тому багато завдань, які в даний час класичним комп'ютерам не під силу, будуть вирішені. І не тільки в області хімії та матеріалознавства. Уолл-стріт також проявляє зацікавленість.
Інвестиції в майбутнє
CME Group проінвестувала ванкуверські компанію 1QB Information Technologies Inc., що розробляє програмне забезпечення для процесорів квантового типу. На думку інвесторів, такі обчислення, ймовірно, вплинуть на галузі, які працюють з великими обсягами чутливих до часу даних. Прикладом таких споживачів є фінансові установи. Goldman Sachs інвестував в D-Wave Systems, а компанія In-Q-Tel фінансується ЦРУ. Перша виробляє машини, які роблять те, що називається «квантовим відпалом», т. Е. Вирішує низькорівневі завдання оптимізації за допомогою квантового процесора. Intel теж займається інвестуванням в дану технологію, хоча вважає її реалізацію справою майбутнього.
Навіщо це потрібно?
Причина, по якій квантові обчислення є настільки захоплюючими, криється в їх ідеальному поєднанні з машинним навчанням. В даний час це основне додаток для подібних розрахунків. Частково самої ідеї квантового комп'ютера - використання фізичного пристрою для пошуку рішень. Іноді цю концепцію пояснюють на прикладі гри Angry Birds. Для імітації гравітації і взаємодії стикаються об'єктів ЦПУ планшета використовує математичні рівняння. Квантові процесори ставлять такий підхід з ніг на голову. Вони «кидають» кілька птахів і дивляться, що відбувається. У мікрочіп записується птиці, їх кидають, яка оптимальна траєкторія? Потім перевіряються всі можливі рішення або, принаймні, дуже велика їх поєднання, і видається відповідь. У квантовому комп'ютері немає математик, замість нього працюють закони фізики.
Як це функціонує?
Основні будівельні блоки нашого світу - квантово-механічні. Якщо подивитися на молекули, то причина, по якій вони утворюються і залишаються стабільними - взаємодія їх електронних орбіталей. Все квантово-механічні розрахунки містяться в кожній з них. Їх кількість зростає експоненціально зростанню числа модельованих електронів. Наприклад, для 50 електронів існує 2 в 50-й ступеня можливих варіантів. Це феноменально тому розрахувати його сьогодні не можна. Підключення теорії інформації до фізики може вказати шлях до вирішення таких завдань. 50-кубітовному комп'ютера це під силу.
Зоря нової ери
Згідно Лендону Даунса, президенту і співзасновнику компанії 1QBit, квантовий процесор - це можливість використовувати обчислювальні потужності субатомного світу, що має величезне значення для отримання нових матеріалів або створення нових ліків. Відбувається перехід від парадигми відкриттів до нової ери дизайну. Наприклад, квантові обчислення можна використовувати для моделювання каталізаторів, які дозволяють витягати вуглець і азот з атмосфери, і тим самим допомогти зупинити глобальне потепління.
На передовій прогресу
Спільнота розробників даної технології надзвичайно схвильовано і зайнято активною діяльністю. Команди по всьому світу в стартапи, корпораціях, університетах та урядових лабораторіях наввипередки будують машини, в яких використовуються різні підходи до обробки квантової інформації. Створено надпровідні кубитовую чіпи і кубіти на захоплених іони, якими займаються дослідники з Університету штату Меріленд і Національного інституту стандартів і технологій США. Microsoft розробляє топологічний підхід під назвою Station Q, метою якого є застосування неабелева аниона, існування якого ще остаточно не доведено.
Рік ймовірного прориву
І це лише початок. Станом на кінець травня 2017 року кількість процесорів квантового типу, які однозначно роблять щось швидше або краще, ніж класичний комп'ютер, дорівнює нулю. Така подія встановить «квантове перевагу», але поки воно не відбулося. Хоча ймовірно, що це може відбутися ще в цьому році. Більшість інсайдерів каже, що явним фаворитом є група Google на чолі з професором фізики Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі Джоном Мартіні. Її мета - досягнення обчислювального переваги за допомогою 49-кубітного процесора. До кінця травня 2017 року команда успішно тестувала 22-кубітний чіп як проміжний крок до розбирання класичного суперкомп'ютера.
З чого все почалося?
Ідеї використання квантової механіки для обробки інформації вже десятки років. Одне з ключових подій відбулося в 1981 році, коли IBM і MIT спільно організували конференцію з фізики обчислень. Знаменитий фізик запропонував побудувати квантовий комп'ютер. За його словами, для моделювання слід скористатися засобами квантової механіки. І це прекрасна завдання, оскільки не виглядає такою простою. У квантового процесора принцип дії заснований на декількох дивні властивості атомів - суперпозиції і заплутаності. Частка може перебувати в двох станах одночасно. Однак при вимірі вона виявиться тільки в одному з них. І неможливо передбачити, в якому, крім як з позиції теорії ймовірності. Цей ефект лежить в основі уявного експерименту з котом Шредінгера, який знаходиться в коробці одночасно живим і мертвим доти, поки спостерігач крадькома туди не загляне. Ніщо в повсякденному житті не працює подібним чином. Проте, близько 1 млн експериментів, проведених з початку ХХ століття, показують, що суперпозиція дійсно існує. І наступним кроком буде з'ясування того, як використовувати цю концепцію.
Квантовий процесор: опис роботи
Класичні біти можуть приймати значення 0 або 1. Якщо пропустити їх рядок через «логічні вентилі» (І, АБО, НЕ і т. Д.), То можна множити числа, малювати зображення і т. П. Кубит ж може приймати значення 0, 1 або обидва одночасно. Якщо, скажімо, 2 кубіта заплутані, то це робить їх абсолютно корельованими. Процесор квантового типу може використовувати логічні вентилі. Т. н. вентиль Адамара, наприклад, поміщає кубіт в стан досконалої суперпозиції. Якщо суперпозицію і заплутаність поєднати з розумно розташованими квантовими вентилями, то починає розкриватися потенціал субатомних обчислень. 2 кубіта дозволяють досліджувати 4 стану: 00, 01, 10 і 11. Принцип роботи квантового процесора такий, що виконання логічної операції дає можливість працювати з усіма положеннями відразу. І число доступних станів одно 2 певною мірою кількості кубітів. Так що, якщо зробити 50-кубітний універсальний квантовий комп'ютер, то теоретично можна досліджувати все 1,125 квадрильйона комбінацій одночасно.
Кудіти
Квантовий процесор в Росії бачать дещо інакше. Вчені з МФТІ і Російського квантового центру створили «кудіти», що представляють собою кілька «віртуальних» кубітів з різними «енергетичними» рівнями.
амплітуди
Процесор квантового типу має ту перевагу, що квантова механіка базується на амплітудах. Амплітуди подібні ймовірності, але вони також можуть бути негативними і комплексними числами. Так що, якщо необхідно розрахувати ймовірність події, можна скласти амплітуди всіляких варіантів їх розвитку. Ідея квантових обчислень полягає в спробі настройки таким чином, щоб деякі шляхи до неправильних відповідей мали позитивну амплітуду, а деякі - негативну, і тому вони б компенсували один одного. А шляхи, що ведуть до правильної відповіді, мали б амплітуди, які знаходяться у фазі один з одним. Хитрість в тому, що необхідно все організувати, не знаючи заздалегідь, яку відповідь правильний. Так що експоненціально квантових станів в поєднанні з потенціалом інтерференції між позитивними і негативними амплітудами є перевагою обчислень даного типу.
алгоритм Шора
Є багато завдань, які комп'ютер не в змозі вирішити. Наприклад, шифрування. Проблема полягає в тому, що не так легко знайти прості множники 200-значного числа. Навіть якщо ноутбук працює з відмінним ПО, то, можливо, доведеться чекати роки, щоб знайти відповідь. Тому ще однією віхою в квантових обчисленнях став алгоритм, опублікований в 1994 р Пітером Шором, тепер професором математики в MIT. Його метод полягає в пошуку множників великого числа за допомогою квантового комп'ютера, якого тоді ще не існувало. По суті, алгоритм виконує операції, які вказують на області з правильною відповіддю. У наступному році Шор відкрив спосіб квантової корекції помилок. Тоді багато хто зрозумів, що це - альтернативний спосіб обчислень, який в деяких випадках може бути більш потужним. Тоді пішов сплеск інтересу з боку фізиків до створення кубітів і логічних вентилів між ними. І ось, через два десятиліття, людство стоїть на порозі створення повноцінного квантового комп'ютера.