24 сентября 2020

Для чего нужен квантовый компьютер и как он работает

В эпоху стремительного развития цифровых технологий, вопрос достижения предела вычислительных ресурсов актуален как никогда. Давайте вспомним знаменитый закон Мура: так, по предсказанию бывшего директора и основателя Intel, количество транзисторов установленных на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года. Пока что закон работает, однако сам Мур признал, что постоянный рост физических величин невозможен, и все время достигаются новые пределы.

Но исследователи решили не увеличивать бесконечно количество транзисторов на кристалле, а изобрести совершенно новый тип вычислений. Так, со временем появилась теория, что вычисление на квантах сможет решить проблему нехватки мощностей и повысить скорость и качество вычислений. 

Чтобы разобраться в том, как работает квантовый компьютер и какие перспективы он открывает, предлагаю вспомнить, как устроен классический компьютер.

Нули и единицы

В классических вычислениях единица измерения информации – бит, который принимает одно из двух состояний: 0 или 1, то есть включен или выключен. Работает это так: микропроцессор компьютера содержит миллиарды транзисторов, через которые со сверхбыстрой скоростью протекает электричество. Когда через него проходит ток, транзистор принимает значение “1”, когда тока нет – “0”. Транзисторы соединены таким образом, что они производят математические вычисления, а с учетом скорости переключения их состояния, операции выполняются очень быстро. В итоге все что мы видим на экране и слышим из динамиков цифровых устройств является результатом этих низкоуровневых вычислений.

С точки зрения информатики транзисторы являются битами. Физически они расположены на процессоре, оперативной и постоянной памяти – то есть на всех устройствах с интегральной схемой. Но суть сводится к тому, что бит находится лишь в одном состоянии: включен или выключен. Программист или инженер может точно определить, в каком состоянии сейчас бит и третьего здесь не дано.

Суперпозиция кота Шрёдингера

В квантовых вычислениях вместо битов используются кубиты – квантовые частицы, которые могут находиться в любой позиции между 0 и 1. Это состояние называется суперпозицией.

Разница между битом и кубитом. Кубит принимает любое положение в пределах цветной сферы

Другая интересная особенность кубитов – зависимость от наблюдения. То есть, пока инженер не наблюдает за его поведением, кубит может находиться во всех возможных состояниях одновременно. Но стоит только замерить его положение – кубит тут же примет определенную позицию, причем само наблюдение повлияет на конечный результат. 

Это особенность квантовых частиц, которую наглядно описал в мысленном эксперименте Эрвин Шрёдингер – в том самом, где знаменитый кот одновременно и живой, и мертвый. Суть эксперимента состоит в следующем: в стальной ящик поместили кота и небольшое количество радиоактивного вещества, один атом которого может распасться в течение часа. Также, в этой закрытой системе колба с токсичной кислотой, которая будет разбита и отравит кота, если будет зафиксирован распад атома. Если предоставить механизм самому себе на один час, то можно утверждать, что кот жив и мертв одновременно, так как распад не произойдет, а может произойти. Смешивание двух этих состояний и описывает квантовую суперпозицию, так как наблюдатель не знает, что происходит в ящике, а событие наступит с равной долей вероятности. Но если ящик открыть то экспериментатор увидит одно из возможных состояний: атом или распался или нет.

Схема мысленного эксперимента с котом Шрёдингера

Квантовое превосходство

Но для того, чтобы квантовые компьютеры составили конкуренцию классическим, они должны преодолеть порог квантового превосходства. По расчетам исследователей из Google, это произойдет, когда появится квантовый процессор с 49 кубитами. 

Впервые мир увидел такой чип в январе 2018 года. Компания Intel на международной выставке потребительской электроники CES показала опытный образец 49-кубитного процессора под названием Tangle Lake. После этого лишь IBM и Google делились успехами в достижении квантового превосходства. Последним известным достижением является 72-кубитный чип Google Bristlecone, о котором компания рассказала в марте 2018 года.

Квантовый процессор Google Bristlecone (слева). Справа изображено устройство чипа: каждый «X» представляет кубит с возможностью подключения ближайшего соседа

Но как вообще делают кубиты? Если максимально упростить, то нужно взять один атом, зафиксировать его, полностью оградить от влияния внешних факторов и специальной квантовой связью соединить с еще несколькими кубитами. Но проблема в том, что чем больше кубитов в этой связке – тем менее стабильно они работают. На это влияет все: от радиации солнца до вибрации окружения, в котором запущен квантовый компьютер.

Влияние внешних факторов разрушает квантовую позицию и кубиты начинают принимать ограниченные позиции, что значительно снижает скорость обработки информации. И все же некоторые компании научились сохранять стабильность кубитов. Так, производитель квантовых компьютеров D-Wave охлаждает атомы кубитов до абсолютного нуля, минус 273 градусов по Цельсию, чтобы стабилизировать и ограничить влияние движение атома. Но такие вычислительные машины стоят сотни тысяч долларов занимают много места.

Квантовый компьютер D-Wave 2000Q за $15 млн

Для чего нужен квантовый компьютер

Квантовые компьютеры уже используют для разложения простых чисел. Например, чтобы получить доступ к кредитной карте, необходимо разложить на простые множители число длинною в сотни цифр. Чтобы сделать это, самому мощному суперкомпьютеру в мире понадобится несколько миллиардов лет! Квантовый компьютер в свою очередь может справиться с этой задачей за секунды. 

Еще квантовые компьютеры справляются со сложным моделированием ситуаций и решением ресурсоемких задач. Это станет сильным драйвером развития машинного обучения и нейронных сетей, которым необходимы мощные вычислительные ресурсы. И квантовый компьютер в состоянии их обеспечить. Кроме этого, кубитные системы смогут существенно повысить качество самореплицируемых ИИ-решений. Алгоритмы Google AutoML уже создают код для машинного обучения, который по эффективности превосходит тот, что написал человек. В теории, подкрепленные квантовыми вычислениями алгоритмы, без вмешательства человека, смогут создать ИИ, превосходящий по сложности любые возможности человека.

Но пока это все разговоры о будущем. Сейчас квантовые компьютеры сложно и дорого производить. Они могут выполнять только узконаправленные вычисления. Однако исследователи полны надежд, что это будущее на самом деле недалеко от нас.