След десетилетия упорит труд, без много надежда за успех, внезапно се развива забързана дейност около квантовите изчисления. Преди почти две години IBM показа на света квантов компютър с пет квантови бита (кубити), който те сега (което звучи малко странно) наричат IBM Q Experience. Тогава устройството беше по-скоро играчка за изследователи, отколкото инструмент за сериозна обработка на данни. Въпреки това, 70 хиляди потребители по целия свят са се регистрирали в проекта и до този момент броят на кубитите се е утроил. Преди няколко месеца IBM и Intel обявиха създаването на квантови компютри с 50 и 49 кубита. Известно е също, че друг компютър чака крилете в стените на Google. "Общността е пълна с енергия и последните пробиви са невероятни."- казва физикът Йенс Айзерт от Свободния университет в Берлин.
В момента се говори за предстоящо "квантово надмощие": времето, когато квантовият компютър може да изпълни задача, извън силата на дори най-мощните класически суперкомпютри. Ако сравним само числа, тогава подобно твърдение може да изглежда смешно: 50 кубита срещу милиарди класически битове във всеки лаптоп. Но целият смисъл на квантовите изчисления е, че квантовият бит е способен на много повече от класическия. Дълго време се смяташе, че 50 кубита ще бъдат достатъчни за извършване на изчисления, които конвенционалният компютър ще изпълнява за неопределено време. В средата на 2017 г. изследователите от Google обявиха, че ще демонстрират квантово превъзходство до декември. (На скорошно искане за нови данни, говорител на компанията отговори: „Ще обявим резултати,веднага след като те бъдат достатъчно обосновани, но засега се извършва задълбочен анализ на съществуващите развития. ")
Бих искал да заключа, че всички основни проблеми могат да бъдат решени и бъдещето, в което квантовите компютри са повсеместно явление, е само въпрос на техническо оборудване. Но той ще сгреши. Физическите проблеми в основата на квантовите изчисления са все още далеч от решени.
Дори ако скоро стъпим в ера на квантовото надмощие, следващата година или две може да бъде решаваща - дали квантовите компютри наистина ще променят изцяло начина, по който правим изчисленията? Залозите са все още високи и няма гаранция, че целта ще бъде изпълнена.
Затворете се и изчислете
Както ползите, така и предизвикателствата на квантовите изчисления са присъщи на физиката, която го прави възможно. Основите вече са казани повече от веднъж, въпреки че не винаги е изяснено какво изисква квантовата механика. Класическите компютри съхраняват информация и я обработват в двоичен код (0 или 1). В квантовите компютри ситуацията е почти еднаква, само всеки бит е в така наречената суперпозиция, тоест може да бъде едновременно 0 и 1. Това означава, че състоянието на кубит може да се определи само с определена степен на вероятност.
За да извършите изчисление с голям брой кубити, всички те трябва да бъдат в взаимозависими суперпозиции - в състояние на "квантова съгласуваност", при което всички кубити се считат заплетени. В този случай най-малката промяна в един кубит може да засегне всички останали. Тоест, изчислителните операции, използващи кубити, имат по-висока производителност от използването на класически битове. В класическо устройство изчислителните възможности просто зависят от броя на битовете, но добавянето на всеки нов кубит увеличава възможностите на квантов компютър с 2 пъти. Ето защо разликата между 5-кубитно устройство и 50-кубитно устройство е толкова значителна.
Промоционално видео:
Имайте предвид, че не съм казвал, както често се прави, че предимството на квантовия компютър пред класическия се крие в съществуването на суперпозиции, които значително увеличават броя на възможните състояния на кодирана информация. Както не казах, заплитането позволява да се извършват много изчисления едновременно. (Всъщност, високата степен на заплитане на кубитите не е задължително условие.) В това има известна истина, но никое от твърденията не описва същността на квантовите изчисления.
Поради сложността на разбирането на квантовата механика, обясняването защо квантовите изчисления са толкова мощни е трудна задача. Уравненията на квантовата теория определено показват, че тя ще работи - поне с някои видове изчисления: факторинг или търсене на база данни ускорява процеса изключително. Но колко точно?
Може би най-сигурният начин за описване на квантовите изчисления е да се каже, че квантовата механика по някакъв начин създава „възможности“за изчисления, които не са достъпни за класическите устройства. Както отбелязва физикът Даниел Готсман от Института за теоретична физика на периметъра (Периметърски институт) във Ватерлоо: "Ако има достатъчно квантова механика, тогава в известен смисъл процесът се ускорява, а ако не, не е."
Въпреки че някои точки все още са ясни. Квантовите изчисления изискват всички кубити да бъдат съгласувани, което е изключително трудно за изпълнение. Взаимодействието на системата от кохерентни кубити със средата създава канали, през които кохерентността бързо „изтича“. Този процес се нарича декохеренция. Учените, които планират да построят квантов компютър, трябва да предотвратят несъответствие. Сега успяват да я спрат само за секунда. Ситуацията става по-сложна, когато броят на кубитите и, съответно, способността за взаимодействие с околната среда се увеличава. Ето защо, въпреки че идеята за квантовите компютри е предложена за първи път от Ричард Фейнман през 1982 г., а теорията е разработена в началото на 90-те години, устройства, способни да извършват реални изчисления, едва сега са създадени.
Квантови грешки
Има втора основна причина, поради която изграждането на квантов компютър е толкова трудно. Както всеки друг процес в света, той вдига шум. Случайни колебания, възникващи, да речем, поради температурата на кубитите или поради особеностите на основните квантови механични процеси, могат да променят посоката или състоянието на кубита, което води до неточни изчисления. Такава заплаха съществува при работа с класически компютри, но е доста лесна за разрешаване. Просто трябва да създадете две или повече резервни копия на всеки бит, така че случайно обърнат бит да не се брои.
Учените, работещи върху създаването на квантов компютър, са разработили няколко начина за решаване на проблема, но всички стратегии водят до появата на твърде много допълнителни изчислителни разходи, тъй като цялата изчислителна мощност се изразходва за коригиране на грешки, а не за изпълнение на дадените алгоритми. „Текущият процент на грешките значително ограничава продължителността на времето, което може да отнеме изчислението“, обяснява Андрю Чайлдс, съдиректор на Съвместния център за квантова информация и изчислителни науки в Университета в Мериленд. "Трябва значително да подобрим резултатите, ако искаме да създадем нещо интересно."
Много изследвания в фундаменталните квантови изчисления се фокусират върху техниките за коригиране на грешки. Част от сложността на проблема произтича от друго от ключовите свойства на квантовите системи: суперпозициите могат да се поддържат само докато не измерите стойността на кубита. Измерването ще унищожи суперпозицията и ще доведе до определена стойност: 1 или 0. Как можете да разберете дали е имало грешка в работата на кубит, ако не знаете в какво състояние е той?
Една умна схема предполага използването на косвени изчисления чрез комбиниране на кубит с втори спомагателен кубит. Последното не участва в изчислението, така че неговото измерване не влияе върху състоянието на основния кубит. Но е доста трудно да се приложи. Това решение означава, че са необходими много физически кубити, за да се създаде истински "логичен кубит", който е имунизиран срещу грешки.
Колко? Квантовият теоретик Алън Аспуру-Гузик от Харвардския университет смята, че ще са необходими около десет хиляди физически кубита, за да се създаде един логичен кубит, което в момента не е възможно. Според него, ако всичко върви добре, този брой ще намалее до няколко хиляди или дори стотици. Айзерт не е толкова песимистичен и смята, че около осемстотин физически кубита ще са достатъчни, но признава, че дори в тази ситуация „допълнителните разходи за изчислителна мощност все още ще са големи“. Трябва да намерите начин да се справите с грешките.
Има алтернатива за отстраняване на грешки. Те могат да бъдат избегнати или предотвратени да се появят в това, което се нарича смекчаване на грешки. Изследователите от IBM проектират схеми, за да изчислят математически вероятността от грешка и след това да приемат резултата като нулев шум.
Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок так и останется неразрешенной и не позволит квантовым компьютерам достичь предсказанных им высот. «Создание квантовых кодов, исправляющих ошибки, гораздо сложнее демонстрации квантового превосходства», - объясняет математик Еврейского университета в Израиле Гил Калай. Он также добавляет, что «приборы без исправления ошибок очень примитивны в своих вычислениях, а превосходство не может основываться на примитивности». Другими словами, квантовые компьютеры не превзойдут классические, если не избавиться от ошибок.
Други учени смятат, че проблемът в крайна сметка ще бъде решен. Един от тях е Джей Гамбета, квантов компютърен специалист от IBM Center for Quantum Computing. Томас Дж. Уотсън. „Нашите скорошни експерименти показаха основните елементи на коригиране на грешки в малки устройства, което от своя страна проправя пътя за по-големи устройства, които могат надеждно да съхраняват квантова информация за продължителни периоди от време при наличие на шум“, казва той. Гамбета обаче признава също, че дори и при сегашното състояние на нещата, „все още има дълъг път към създаването на универсален, устойчив на грешки квантов компютър, използващ логически кубити“. Благодарение на подобни изследвания Чайлдс е оптимист. „Сигурен съм, че ще видим демонстрация на още по-успешни експерименти [отстраняване на грешки], но,вероятно ще отнеме много време, преди да започнем да използваме квантови компютри за реални изчисления."
Да живеем с грешки
В близко бъдеще квантовите компютри ще функционират неизправно. Възниква въпросът: как да живея с него? Учените от IBM казват, че в обозримо бъдеще областта на „приблизителни квантови изчисления“ще се фокусира върху намирането на начини за адаптиране към шума.
Това изисква създаването на такива алгоритми, които ще доведат до правилния резултат, игнорирайки грешки. Процесът може да се сравни с преброяването на изборните резултати, което не отчита развалени бюлетини. „Дори и да направи някои грешки, достатъчно големи висококачествени квантови изчисления трябва да бъдат по-ефективни от [класическите]“, казва Гамбета.
Едно от по-новите приложения на технологията, устойчиви на грешки, изглежда има по-голяма полза за учените, отколкото за света като цяло: моделиране на материали на атомно ниво. (Всъщност това беше мотивацията, която накара Фейнман да излезе с идеята за квантовите компютри.) Уравненията на квантовата механика описват как се изчислява стабилността или химическата реактивност (например в молекулите на лекарствата). Но тези уравнения не могат да бъдат решени без използване на много опростявания.
Според Чайлдс обаче квантовото поведение на електроните и атомите „е сравнително близко до естественото поведение на квантовия компютър“. Това означава, че може да се изгради точен компютърен модел на молекулата. „Много членове на научната общност, включително и аз, вярват, че първото успешно приложение на квантов компютър ще бъде свързано с квантовата химия и науката за материалите“, казва Аспуру-Гузик: той беше един от първите, които започнаха да тласкат квантовите изчисления в тази посока.
Квантовото моделиране се оказва полезно дори и на най-малките квантови компютри, с които разполагаме днес. Екип от изследователи, в който е включен Аспуру-Гузик, разработи алгоритъм, който те нарекоха "Вариационен метод за решаване на задачи в квантовата механика" (по-долу - VMR). Този алгоритъм ви позволява да намерите най-малко енергоемкото състояние на молекула, дори и в шумни кубити. В момента той може да се справи само с много малки молекули с малко електрони. Класическите компютри се справят добре с тази задача. Но силата на квантите непрекъснато нараства, както показаха Gambetta и колегите му миналия септември, когато използваха шест-кбитово устройство за изчисляване на електронната структура на молекулите като литиев хидрид и берилиев хидрид. Работата беше „значителен пробив за квантовите науки“както каза химическият физик Маркус Райхер от Швейцарското висше техническо училище в Цюрих. „Използването на BMP за моделиране на малки молекули е чудесен пример за това как могат да се прилагат краткосрочни евристични алгоритми“, казва Гамбета.
Но според Aspuru-Guzik, логичните кубити, способни да коригират грешки, ще се изискват дори преди квантовите компютри да изпреварят класическите. "Нямам търпение, докато квантовите изчисления, коригиращи грешки, станат реалност", коментира той.
„Ако имахме повече от двеста кубита, бихме могли да направим наистина иновативни неща“, добави Райхер. "И с 5000 кубита, квантовият компютър може да окаже голямо влияние върху науката."
Какъв е обемът ви?
Тези цели са невероятно трудни за постигане. Въпреки всички трудности, квантовите компютри от пет-кубитни до 50-битови само за една година - този факт дава надежда. Въпреки това, не се прекалявайте с тези номера, защото те разказват само малка част от историята. Сега не е колко кубита имате по-важни, а колко добре работят и колко ефективни са разработените от вас алгоритми.
Всяко квантово изчисление завършва с декохеренция, която разбърква кубитите. Обикновено времето за декохеренция за група кубити е няколко микросекунди. Броят на логическите операции, които могат да бъдат извършени за толкова кратко време, зависи от скоростта на превключване на квантовата порта. Ако скоростта е твърде ниска, няма значение колко кубита имате на ваше разположение. Броят на операциите, необходими за дадено изчисление, се нарича изчислителна дълбочина: алгоритмите на малка дълбочина са по-ефективни от дълбоките алгоритми. Не е известно със сигурност обаче дали са полезни при изчисленията.
Освен това, не всички кубити са еднакво шумни. Теоретично е възможно да се създадат кубити с ниско ниво на шум от материали, които са в така нареченото "топологично електронно състояние": ако частиците в това състояние се използват за кодиране на двоична информация, тя ще бъде защитена от случаен шум. В опит да намерят частици в топологично състояние, изследователите от Microsoft изучават предимно екзотични квантови материали. Въпреки това няма гаранция, че техните изследвания ще бъдат успешни.
За да обозначат силата на квантовите изчисления на определено устройство, изследователите в IBM въведоха термина "квантов обем". Това е число, което обединява всички важни фактори: дълбочината на алгоритъма, броя и свързаността на кубитите, както и други показатели за качеството на квантовите порти (например шум). По принцип този "квантов обем" характеризира силата на квантовите изчисления. Според Gambetta, сега е необходимо да се разработи квантово изчислително оборудване, което ще увеличи наличния квантов обем.
Это одна из причин, почему хваленое квантовое превосходство - довольно смутная идея. Сама мысль о том, что 50-кубитный квантовый компьютер превзойдет современные суперкомпьютеры, звучит привлекательно, однако остается множество нерешенных вопросов. При решении каких именно задач квантовый компьютер превосходит суперкомпьютеры? Как определить, правильный ли ответ получил квантовый компьютер, если его нельзя проверить с помощью классического устройства? А что если классический компьютер будет эффективнее квантового, если найти более совершенный алгоритм?
По този начин, квантовото надмощие е концепция, която изисква повишено внимание. Някои изследователи предпочитат да говорят за „квантовото предимство“, за скока в развитието на квантовите технологии, отколкото за окончателната победа на квантовите компютри над конвенционалните. Освен това мнозинството се опитва да не използва думата "превъзходство", тъй като съдържа отрицателни политически и расистки конотации.
Независимо от името, ако учените могат да докажат, че квантовите компютри могат да изпълняват задачи, които класическите устройства не могат да вършат, тогава това ще бъде изключително важен психологически момент за тази област. „Демонстрацията на безспорно квантово предимство ще влезе в историята. Това ще докаже, че квантовите компютри могат наистина да разширят нашите технологични възможности “, казва Айзерт.
Може би това ще бъде символично събитие, а не радикална промяна в областта на изчислителната техника. Независимо от това, това си струва да се обърне внимание. Ако квантовите компютри превъзхождат конвенционалните компютри, това няма да бъде, защото IBM и Google внезапно ги пускат на пазара. За да постигнете квантово надмощие, трябва да установите сложна система за взаимодействие между разработчици и потребители. И последните трябва да бъдат категорични, че новостта си струва да се опита. В изпълнение на това сътрудничество IBM и Google се опитват да предоставят на потребителите своите разработки възможно най-бързо. Преди това IBM предлагаше на всички регистрации на сайта достъп до своя 16-кубитен компютър IBM Q. Сега компанията разработи 20-кубитна версия за корпоративни клиенти, включително JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung и университета в Оксфорд. Подобно сътрудничество не само помага на клиентите да намерят нещо полезно и интересно, но също така създава квантограмотна общност от програмисти, които ще разработят нови функции и ще решат проблеми, които не могат да бъдат решени в една компания.
„За да се развива активно областта на квантовите изчисления, трябва да дадете на хората възможност да използват и изучават квантови компютри, - казва Гамбета. "Целият научен и индустриален свят сега трябва да се съсредоточи върху една задача - подготовка за ерата на квантовите компютри."
Превод на проекти Ново
Филип Бал