Будущее наступило: когда без квантовых компьютеров не получится обойтись. Квантовый процессор: описание, принцип работы Как это функционирует

Российские ученые представили разработку, которая, по их словам, должна кардинально изменить жизнь человечества. Созданием квантовых компьютеров, способных работать в миллионы раз быстрее современных операционных систем, занимаются крупнейшие технологические корпорации мира. Но они уже признали победу коллег.

Это казалось фантастикой еще вчера - квантовые компьютеры, способные обогнать все существующие устройства. Они настолько мощные, что могут или открыть человечеству новые горизонты, или обрушить все системы безопасности, потому что смогут взломать их.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомный бомбы», - считает генеральный директор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.

В разработку вкладываются крупнейшие корпорации: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Но сегодня в центре внимания - Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра. Его команде удалось создать самый мощный на данный момент квантовый компьютер.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы. Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справится с вычислениями. Делаем маленькие открытия уже, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, мы даже до конца их не понимаем», - рассказывает профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра Михаил Лукин.

Все - из-за мощности таких устройств. Расчеты, которые на сегодняшнем суперкомпьютере займут тысячи лет, квантовый может сделать в один миг.

Как это работает? В обычных компьютерах информация и вычисления - это биты. Каждый бит - либо ноль, либо единица. Но квантовые компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным компьютерам нужно, грубо говоря, выстроить последовательности, то квантовые вычисления происходят параллельно, в одно мгновение. В компьютере Михаила Лукина таких кубитов - 51.

«Во-первых, он сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это больше чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что Google все время говорил, что сделает 49», - объясняет гендиректор компании Acronis, сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов.

Создание самого мощного квантового компьютера пророчили ему. Джон Мартинес - руководитель крупнейшей в мире квантовой лаборатории корпорации Google. И свой 49-кубитный компьютер он планировал закончить только через несколько месяцев.

«22 кубита - это максимум, что мы смогли сделать, мы использовали все свое волшебство и профессионализм», - рассказывает он.

Мартинес и Лукин выступили на одной сцене - в Москве, на Четвертой международной квантовой конференции. Впрочем, соперниками ученые себя не считают.

«Неправильно думать об этом, как о гонке. Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов», - говорит глава лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google Джон Мартинес.

Но для чего нам понадобятся квантовые компьютеры? Даже сами их создатели не знают наверняка. С их помощью могут быть разработаны совершенно новые материалы, сотни открытий в физике и химии. Квантовые компьютеры - пожалуй, единственное, что может приоткрыть тайну человеческого мозга и искусственного интеллекта.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры», - говорит директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.

Один из первых компьютеров был создан в 40-х годах ХХ века и весил 27 тонн. Если сравнить с современными устройствами, то обычный смартфон по мощности - это как 20 000 таких машин. И это за 70 лет прогресса. Но если наступит эра квантовых компьютеров, уже наши потомки будут удивляться, как вообще пользоваться этим антиквариатом.

Lockheed Martin доказывает, что преимущества квантовых вычислений можно получить уже сейчас, даже несмотря на то, что настоящих полноценных функционирующих квантовых компьютеров еще не создано.

Первой квантовой системой, которую Lockheed Martin купила у компании D-Wave Systems, был компьютер «Rainier», работающий на базе 128 кубитов и известный также под названием D-Wave One. Позже систему заменили на компьютер «Vesuvius» с 512 кубитами на борту, который, в свою очередь, совсем недавно был заменен еще более продвинутой системой D-Wave 2X с поддержкой уже 1152 кубитов.

«Это коммерчески доступный компьютер. Вы правда можете купить себе такой, если хотите. Но на самом деле это больше экспериментальная система, предназначенная для научных разработок и исследований», — говорит Грег Таллант, глава Центра квантовых вычислений компании Lockheed Martin.

«Она не является системой, готовой для массового рынка, но если хотите, то вы можете купить ее и использовать почти так же, как вы используете обычные компьютеры».

Чуть позже вы поймете, почему слово «почти» здесь имеет решающее значение.

Перед собственно самой покупкой представители Lockheed Martin несколько раз посещали главный офис компании D-Wave в Ванкувере. Система, по мнению специалистов, показала себя «многообещающей», и поэтому было решено приобрести один компьютер. Следующим шагом было подписание соглашения о сотрудничестве с Университетом Южной Калифорнии. Одним из результатов сотрудничества стало строительство Центра квантовых вычислений.

Подписанное соглашение позволяет Университету Южной Калифорнии использовать систему для своих исследований и проводить тесты компьютера. Lockheed Martin, в свою очередь, может использовать эту информацию для исследования вопроса перспективного использования технологий квантовых вычислений в различных сферах.

Основной сферой применения подобной квантовой системы изначально рассматривалась проверка и подтверждение работоспособности других готовых программных продуктов. Однако диапазон интересующих направлений решено было увеличить. Важнейшей новой сферой в списке интересов, пожалуй, является машинное обучение, однако систему также рассматривают в качестве мощного инструмента для планирования и прогнозирования.

«С увеличением числа необходимых для решения задач, связанных с отдельно взятой гипотетической растущей проблемой, увеличивается и число возможностей, которые следует рассмотреть для решения этой проблемы», — объясняет Таллант.

«Пример такой задачи можно рассмотреть на классической «задаче коммивояжера» в направлении комбинаторной оптимизации».

Задача коммивояжера заключается в отыскивании самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Эту задачу можно решить и с помощью нынешних компьютеров, однако квантовые аппаратные средства потенциально способны многократно повысить скорость вычислений, особенно в случае если число этих городов в задаче будет постоянно увеличиваться.

Компьютер D-Wave

Талланту и его команде пока не довелось продемонстрировать преимущества их системы D-Wave над классическими компьютерами при решении этой задачи, однако шаг вперед уже сделан. Как сделана и ставка на будущие технологические свершения с помощью самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера с 1152 кубитами на борту, который компания приобрела в июле этого года.

Самый мощный?

«Здесь есть некоторая особенность», — говорит Таллант.

«Нынешний чип, использующийся в системе, обладает 1152 кубитами. Однако когда вы собираете подобные системы, то необходимо провести калибровочный процесс. В рамках этого процесса некоторые кубиты могут не пройти проверку и, следовательно, в дальнейшем не могут использоваться в вычислительных процессах».

Другими словами, купили вы, скажем, смартфон на 32 гигабайта внутренней памяти. Запускаете его впервые и обнаруживаете, что на самом деле все обещанные вам 32 гигабайта памяти вам недоступны. Они, конечно же, в устройстве имеются, но то, что находится под крышкой, и тот объем памяти, который вам доступен по факту, — это несколько разные вещи.

«Наш 1152-кубитный процессор после прохождения калибровки имеет 1098 доступных кубитов», — говорит Таллант.

«Важность числа доступных кубитов всецело связана со сложностью подзадач, которые требуется решить для поиска ответа на основной вопрос. Например, если у вас имеется всего 512 кубитов, то и сложность проблемы, с которой система сможет справиться, наиболее эффективно ограничена числом этих кубитов. В данном конкретном случае речь идет о задаче, которая может иметь 512 переменных. На практике же это число будет на порядок ниже, около 200 переменных».

В мае этого года компания IBM гордо объявила о том, что собирается открыть академикам и энтузиастам доступ к своему квантовому 5-кубитному компьютеру через веб-платформу IBM Experience. К чему фанфары IBM, в то время как D-Wave, казалось бы, уже продает квантовые компьютеры с количеством кубитов, превышающим число кубитов в системе IBM? Ответ прост: квантовый компьютер Lockheed Martin (точнее D-Wave Systems) — не совсем квантовый.

Квантовый квантовому рознь

Сердцами систем IBM и Lockheed Martin действительно являются сверхпроводящие кубиты, многообещающие элементарные носители квантовой информации, на базе которых исследователи надеются однажды создать настоящий универсальный квантовый компьютер. Слово «однажды» здесь ключевое, так как такой компьютер пока не создан.

Систему IBM нельзя рассматривать как «универсальный» квантовый компьютер, потому что машина не способна выполнять те задачи, с которыми справляются классические компьютеры. Именно особенность выполнять все задачи и будет характеризовать универсальный квантовый компьютер.

Система D-Wave, использующаяся компанией Lockheed Martin, тоже не подпадает под это определение. По сути, это скорее установка квантового отжига (нормализации), а не полноценный квантовый компьютер. Система способна справляться лишь с ограниченным числом задач.

Процессор D-Wave

«Система D-Wave — это не компьютер общего назначения. Он способен решать определенные задачи на базе алгоритмов модели Изинга», — говорит Таллант, описывая этот компьютер как «систему для оптимизированных решений» таких проблем, как, например, расчет наиболее эффективного использования ресурсов (времени и топлива, например) при наличии различных сценариев проблемы.

«В этом ключе можно говорить лишь о квантовом отжиге. Мы вносим в машину задачи, ответы на которые нам известны. После этого загружаем в нее задачи, ответы на которые нужно будет найти. После чего мы попробуем совместить информацию обеих задач. В конечном итоге на основе решений-кандидатов мы сможем получить ответ на нашу задачу».

«В некотором смысле этот способ позволяет применять известный вам метод решения задачи, даже если истинный метод решения этой задачи вам изначально неизвестен. Другими словами, вы получаете ответ на задачу, даже если не знаете, как ее решить».

Работает — и ладно

На данный момент, по сравнению с другими аналогичными системами, D-Wave может похвастаться наличием самого большого числа доступных для работы кубитов. Тем не менее радоваться пока рано, потому что перед нами не полноценная универсальная квантовая система, о которой так долго мечтают не только люди, которые занимаются созданием квантовых компьютеров, но и ученые, которые очень хотят на таких компьютерах поработать.

«Это определенно не универсальный квантовый компьютер. Это нормализатор», — говорит Таллант.

«Компьютер D-Wave не универсален. Пока современная наука пока не позволяет создать все необходимые компоненты для постройки универсальной квантовой системы. Мы и сами были бы рады получить ее в свое распоряжение».

Российские и американские ученые из Гарвардского университета, работающие в группе Михаила Лукина, создали квантовый компьютер из 51 кубита, самый мощный на сегодня в мире. Об этом сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) профессор Лукин сообщил в своем докладе на Международной конференции по квантовым технологиям (ICQT-2017), которая прошла в июле в Москве под эгидой РКЦ.

В отличие от классических цифровых компьютеров, у которых память построена на принципе двоичного кода (0 или 1, «да» или «нет»), квантовые компьютеры строят на основе кубитов - квантовых битов. Они тоже допускают два состояния (0 и 1), но благодаря своим квантовым свойствам кубит дополнительно допускает еще и состояния суперпозиции, то есть, условно говоря, еще массу промежуточных состояний между двумя основными состояниями, описываемых комплексными (мнимыми) числами. Понятно, что при таких условиях мощность и быстродействие квантового компьютера на несколько порядков выше.

Саму идею использовать квантовые вычисления для решения чисто математических задач предложил еще в 1980 году Юрий Манин из Института имени Стеклова, а год спустя принцип построения квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман. Но прошли десятилетия, прежде чем появились технологии, способные реализовать их идеи на практике.

Главной проблемой было создать устойчиво работающие кубиты. Группа Лукина использовала для них не сверхпроводники, а так называемые холодные атомы, которые удерживаются внутри лазерных ловушек при сверхнизких температурах. Это позволило физикам создать самый большой в мире квантовый вычислитель из 51 кубита и обойти своих коллег группы Кристофера Монро из университета штата Мэриленд (5-кубитныое устройство) и группы Джона Мартиниса из компании Google (22-кубитное устройство).

Образно говоря, при строительстве кубитного компьютера физики вернулись от цифровых к аналоговым устройствам первой половины прошлого века. Теперь их задача - перейти к «цифре» на новом, квантовом уровне. Используя набор кубитов на основе «холодных атомов», команда Лукина уже смогла решить несколько частных физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи классических компьютеров.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Помимо решения чисто научных задач из области квантовой механики профессор Лукин не исключает, что его команда попытается реализовать на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, перед которым бессильны существующие ныне системы шифрования. Но и других практических областей, где новое поколение компьютеров могло бы произвести революцию, множество. Например, гидрометеорология, где сейчас явно не хватает мощности существующих вычислительных устройств для повышения точности прогнозов погоды.

Квантовые компьютеры делают первые шаги, но не за горами время, когда они станут такой же обыденностью, как нынешние ПК.

о создании 72-кубитного квантового компьютера. Потенциально это самая мощная вычислительная система на данный момент. Пора ли хоронить традиционные компьютеры?

Квантовое превосходство

Анонс был сделан на ежегодных мартовских встречах Американского физического общества, одного из самых крупных в мире мероприятий для физиков, конференция объединяет более 10 000 участников со всего мира. Поэтому выбор площадки для объявления Джоном Мартинисом результатов работы его группы в Google является неслучайным - среди докладчиков и участников конференции ключевые фигуры «квантовой гонки», включая Михаила Лукина из Гарвардского университета, представителей IBM и Intel.

Квантовые компьютеры используют необычные свойства частиц квантовой природы для получения ускорения в решении ряда математических задач, например, при разложении чисел на простые множители или моделировании химических соединений. В этих задачах квантовый компьютер гораздо эффективнее классического, но для создания квантовых компьютеров требуется решить сложную научно-инженерную задачу.

Элементами квантовых компьютеров являются кубиты (квантовые биты - аналоги классических битов информации, являющихся элементарными единицами для вычислений). В отличие от классических битов, которые принимают значения либо 0, либо 1, квантовые системы находятся одновременно в этих состояниях. Такой «параллелизм» является ключевым для получения ускорения при решении задачах. Центральной проблемой является масштабируемость квантовых компьютеров: из-за хрупкости квантовых состояний тяжело создать систему из достаточно большого количества кубит, поскольку из-за воздействия окружения квантовые состояния разрушаются и в процессе вычислений возникают ошибки.

При этом считается, что порог «квантового превосходства» (quantum supremacy) находится на уровне 50 кубит - такая квантовая система потенциально может решать задачи, которые являются непосильными для самых быстрых суперкомпьютеров, построенных на полупроводниках (всех тех системах, что используются сейчас).

Конкуренты

Квантовый процессор от Google с 72 кубитами потенциально является значительным шагом вперед по сравнению с анонсированными в прошлом году 49-кубитными процессорами IBM и Intel, 51-кубитной системой Гарвардского университета и 53-кубитного симулятора Криса Монро из Объединенного квантового института в Мэриленде.

Кроме количества кубитов, важным является количество ошибок, совершаемых квантовым компьютером при работе. Группа Мартиниса развивает технологию построения квантовых компьютеров с использованием сверхпроводящих кубитов. Предыдущая модель из 9 кубит обладала очень низким уровнем ошибок. Интересным приемом при проектировании нового 72-кубитного процессора является переход от структуры цепочки, которая была реализована в 9-кубитном процессоре, к архитектуре двух массивов из 36 кубит. Такая схема расположения кубит позволяет задействовать квантовые коды исправления ошибок - отслеживать и исправлять ошибки в ходе вычислений. В результате в новом процессоре производительность выросла без вреда для результатов вычислений, поскольку удается сохранить достаточно низкий уровень ошибок.

В России также проектируются квантовые компьютеры на задействованных в работе Мартиниса сверхпроводящих кубитах. Российский квантовый центр, Институт физики твердого тела РАН, МИСиС, ВНИАА им. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана ведут работы по разработке квантового компьютера, использующего несколько кубит. Несмотря на количественное отставание, разрабатываемые технологии для приготовления, управления и измерения квантовых состояний будут полезны для масштабирования и создания следующих поколений сверхпроводящих квантовых процессоров.

Хотя крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, команды серьезно конкурируют между собой. При этом отдельное внимание уделяется взаимодействию команд физиков с уже существующей в IT-компаниях экспертизой по инженерии и информационным технологиями. Примеры Google и IBM показывают, что такой подход позволяет достаточно быстро развивать сложные научно-технологические проекты, к которым, безусловно, относится квантовый компьютер.

Борьба за квантовое превосходство идет сразу по нескольким фронтам. Строятся более мощные и более совершенные архитектуры квантовых компьютеров, ищутся более эффективные квантовые алгоритмы и подходящие задачи. Тем не менее остаются важные вопросы по дальнейшему масштабированию схемы и количеству операций, которые можно будет выполнять.

Практическое применение

Переводя вопрос в практическую плоскость можно спросить: насколько полезны те задачи, которые могут быть решены на квантовом компьютере группы Мартиниса?

Квантовые компьютеры разительно отличаются от традиционных. В них пока нельзя и думать загрузить операционную систему Windows (или Linux), сложное ПО и посчитать, быстро он работает или нет. Поэтому ученым приходится отдельно исследовать задачи, в которых может быть очевидно преимущество сверхпроводящего процессора над традиционным. Интересно, что как раз группа Мартиниса в сентябре опубликовала работу, в которой описала такую задачу, но пока неизвестно, удалось ли на практике проверить новый 72-кубитный процессор.

Сформулированная задача является абстрактной и не имеет практического приложения. Очевидно, что после демонстрации самого факта «квантового превосходства», пусть и на абстрактной задаче, необходимо будет найти полезный для индустрии кейс применений квантовых вычислений. В этом направлении серьезную конкуренцию Google составляют IBM (в рамках проекта IBM Q Experience) и Rigetti Computing, которые открыли облачный доступ к своим квантовым платформам. Также к ним присоединяется компьютер от Alibaba, созданный в рамках совместного проекта с Китайской академией наук.

Собирая данные по решенным задачам, можно получить большой объем информации о направлениях, которые могут быть интересны для конечных пользователей. Откроет ли Google доступ к своему компьютеру? Покажет ли решение абстрактной или полезной задачей для квантового превосходства? Насколько обоснован оптимизм относительно дальнейшего масштабирования системы? Ближайшие месяцы должны дать ответы на эти ключевые вопросы.

На днях в ходе Международной квантовой конференции в Москве российский ученый Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер, сообщает 4pda.ru.

Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, поэтому обойти конкурента было для Лукина - как для азартного ученого - делом принципа.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Михаил Лукин сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49, потому что в Google все время говорили, что сделают 49».

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Ученые убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали все свое волшебство и профессионализм».

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово соревнуются ученые, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, производят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесет, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».

То, как именно будут использоваться квантовые компьютеры, покажет только время.