Кремниевый чип с тремя кубитами, созданный исследователями IBM, надеющимися когда-нибудь сконструировать такие чипы с тысячами кубитов
Когда-нибудь квантовые компьютеры смогут решать сложные оптимизационные задачи, быстро разбирать огромные наборы данных, симулировать физические эксперименты, для которых сейчас требуются ускорители частиц стоимостью в миллиарды, и решать множество других задач, недоступных сегодняшним компьютерам. Если, конечно, их удастся сконструировать. Но пока технические проблемы не дают им появиться, теоретики применяют идеи и технологии, присущие квантовым вычислениям, для решения серьёзных и старых задач классической информатики, математики и криптографии.
«Идут бурные дебаты по поводу того, будут ли квантовые компьютеры вообще когда-либо созданы,- говорит Крис Пейкерт [Chris Peikert], специалист по криптографии и информатике их Технологического института Джорджии. – Но это один вопрос, а второй – могут ли квантовые техники или алгоритмы помочь вам решать задачи новыми способами».
В последнее время квантовые идеи помогли исследователям доказать безопасность многообещающих технологий шифрования под названием «криптография на решётках», чьё применение может помочь скрыть чувствительные данные пользователей, такие, как их ДНК, даже от компаний, обрабатывающих эти данные. Доказательство через квантовые подсчёты также привело к формуле минимальной длины кодов исправления ошибок, оберегающих данные от повреждений.
Квантовые идеи вдохновили на получение множества важных результатов, таких, как опровержение ошибочного алгоритма, якобы эффективно решавшего задачу коммивояжёра.
«Если бы это случилось один раз, это было бы совпадением. Но существует так много вариантов, в которых 'квантовое' мышление приводит к получению доказательства»,- говорит Одед Регев [Oded Regev], специалист по информатике из Нью-йоркского университета.
Для шифрования данных можно использовать многомерные решётки, доказательство чего было получено при помощи квантовых вычислений
Это привело к тому, что некоторые исследователи считают квантовые вычисления не эзотерической областью информатики, а обобщением классических вычислений – так же, как многоугольники являются обобщением треугольников. Так же, как у многоугольников может быть любое количество сторон, а у треугольников – лишь три, квантовые компьютеры могут работать с любыми числами (положительными, отрицательными, действительными, мнимыми), в то время как классические компьютеры используют только действительные положительные числа.
В более общем случае квантовые идеи – это мощные инструменты для решения классических вычислительных задач. «Существует несколько классических задач, не имеющих ничего общего с квантовым миром, но лучше всего анализировать их, обобщив до квантового уровня, доказав что-либо при помощи теории квантовой информации, и затем масштабировав обратно до классического уровня»,- говорит Рональд де Вульф, теоретик в области информатики в нидерландском Центре математики и информатики.
По сегодняшним прикидкам, не более 5% учёных, работающих в области теоретической информатики, изучают квантовые вычисления. Но исследователи говорят, что последние успехи «квантового мышления» привели к росту количества теоретиков, стремящихся подучить физику. «Эти удивительные ответвления от квантовых вычислений на самом деле заставили учёных, пользующихся классическими методами информатики, заняться изучением квантовых вычислений»,- говорит Скотт Ааронсон [Scott Aaronson], теоретик в области информатики в Массачусетском технологическом институте.
Цель квантовых вычислений – использовать странное поведение частиц на квантовых масштабах для проведения вычислений, кажущихся невозможными для обычных компьютеров. Обычный компьютер хранит биты информации в транзисторах, которые на манер переключателей могут находиться в одном из двух состояний, обозначающих 1 или 0. Квантовый компьютер хранит кубиты информации в субатомных частицах, электронах или фотонах, которые могут существовать в состояниях 1, 0, или в суперпозиции их обоих, а также могут запутываться друг с другом, в результате чего состояние одного кубита предопределяет состояние другого.
Чип от IBM с тремя кубитами
Суперпозиция и запутанность заставляют кубиты вести себя совсем не так, как это делают биты. Двухбитный контур классического компьютера может находиться в одном из четырёх состояний (0,0; 0,1; 1,0; 1,1). Пара кубитов может быть комбинацией их всех. При увеличении количества кубитов количество возможных состояний, а с ним и объём содержащегося в системе состояния, растёт экспоненциально. Квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов смог бы решать задачи быстрее сегодняшних суперкомпьютеров.
Проблема лишь в том, что никто пока не смог создать квантовый компьютер, в котором количество кубитов превышало бы количество пальцев на руках. Крис Лиракис [Chris Lirakis], физик из группы сверхпроводимых квантовых расчётов в IBM Research, объясняет, что для удержания системы запутанных кубитов от коллапса её нужно изолировать и охладить почти до абсолютного нуля. В то же время, кубиты нужно разнести примерно на сантиметр друг от друга, чтобы операции с одним из них не влияли на остальные. Эти ограничения делают системы из тысячи кубитов слишком большими для того, чтобы разместить их в холодильниках, способных поддерживать нужную температуру.
«Нужно решить очень много весьма серьёзных инженерных задач, чтобы сделать эту систему масштабируемой,- говорит Лиракис. – Все проблемы играют в перетягивание каната».
Регев, работавший с Пейкертом над доказательством безопасности криптографии на решётках через квантовые принципы, говорит, что надеется увидеть постройку квантовых компьютеров ещё при его жизни. «Но квантовый подход настолько повлиял на всё, что даже если никто никогда не сможет сделать квантовый компьютер, я бы не сильно расстроился»,- говорит он.
С увеличением популярности квантовых технологий можно ожидать решения всё большего количества классических задач. «Именно эти результаты убедили меня, что даже если бы во вселенной не было квантовых механизмов, специалисты по информатике, в конце концов, изобрели бы их для решения задач».
Комментарии (11)
PerlPower
14.10.2016 02:35Из статьи непонятно, то ли чип правда содержит 3 кубита, то ли там оптимизированная аппаратная эмуляция кубитов на базе традиционных технологий.
ChALkeRx
14.10.2016 07:24+1Если второе — то не понятно, зачем.
В ноуте 16 гигов оперативки, в чиселках вида
complex<double>(2*8 байт) это 2^30.
Если эмулировать честно и считать в матрицах плотности, то в ноут влезет 14 кубит (15 уже заняло бы всю память одной матрицей, а нам надо как минимум три матрицы + система), с матрицами по 4 ГиБ.
Если хотеть считать быстро — то чуть меньше, надо считать производительность. Но даже если взять 10 — это надо будет перемножать матрицы 2^10 на 2^10, то есть всего 1024*1024, по 16 МиБ каждая.
Но один момент — для того, что называется квантовыми вычислениями (и собственно квантовым компьютером) матрицы плотности нам не нужны, достаточно векторов состояний. Там количество доступных кубит условно в два раза больше на ту же память, да и вектора надо хранить два всего. То есть с 20 кубитами на любом обычном ноуте вообще проблем никаких не будет, займёт это всё 32 МиБ в оперативке + код, и работать будет быстро. 28 кубит впихнуть по памяти в ноут реально, каждый из двух векторов займёт всё те же самые 4 ГиБ, но работать это будет медленно.
3 кубита моделируются матрицей 8*8 или вектором длины 8, в зависимости от того, что мы хотим. Смысла делать новость из эмуляции 3 кубитов нет никакого, поэтому логично предположить, что тут таки правда честные 3 кубита. Интерес к «честным» кубитам тоже вызван не там, чтобы 3 шт пихать в современные чипы, а ожиданием того, что в будущем, возможно, получится строить вычисления на большем количестве кубит, и за счёт этого обойти текущие вычислительные устройства.
Примечание: если кто слышал про D-Wave и их кучи кубитов — к ним это не относится, D-Wave — не квантовый компьютер, а аналоговый калькулятор для более узкой задачи, предположительно на основе квантовых эффектов.
a5b
14.10.2016 16:10Это чип c 3 кубитами и 2-х кубитным вентилем CNOT из новостей 2012 года — http://www.extremetech.com/extreme/120229-ibm-shows-off-quantum-computing-breakthroughs-says-qubit-computers-are-close "IBM shows off quantum computing advances, says practical qubit computers are close" February 28, 2012
http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/36901.wss "IBM Research Advances Device Performance for Quantum Computing", 28 Feb 2012
In separate experiments, the group at IBM also demonstrated a more traditional “two-dimensional” qubit (2D qubit) device and implemented a two-qubit logic operation – a controlled-NOT (CNOT) operation, which is a fundamental building block of a larger quantum computing system. Their operation showed a 95 percent success rate, enabled in part due to the long coherence time of nearly 10 microseconds. These numbers are on the cusp of effective error correction schemes and greatly facilitate future multi-qubit experiments.
A picture of the Silicon chip housing a total of three qubits. The chip is back-mounted on a PC board and connects to I/O coaxial lines via wire bonds (scale: 8mm x 4mm). A larger assembly of such qubits and resonators are envisioned to be used for a scalable architecture.
stDistarik
14.10.2016 03:44Пара кубитов может быть комбинацией их всех
Кого «их всех»? Поясните пожалуйста.
ChALkeRx
14.10.2016 07:31+7квантовые компьютеры могут работать с любыми числами (положительными, отрицательными, действительными, мнимыми), в то время как классические компьютеры используют только действительные положительные числа.
Даже учитывая то, что текст упрощён и пытается быть ближе к людям, это какая-то ересь.
Где вы видели действительные положительные числа в компьютере? Если иметь ввиду «любыми» — то нет, не может. Если не любыми — то ограничение проведено некорректно. А вот почему «положительными» — не ясно. Чем положительные отличаются от отрицательных? Что мешает классическим работать со мнимыми? Причём тут это вообще?
isden
14.10.2016 12:21> кубиты нужно разнести примерно на сантиметр друг от друга, чтобы операции с одним из них не влияли на остальные
А можно чуть подробнее про этот момент? Как они влияют и почему именно на сантиметр?
rPman
14.10.2016 15:32Очень интересный вопрос — почему кубиты рассматривают с точки зрения бинарной логики? Ведь у объектов квантового мира можно выделить много разных критериев, т.е. вместо двух состояний можно формально выделить 2^x состояний у одного кубита, со всеми вытекающими бонусами.
или это создает проблемы для запутывания? запутать можно только по одному свойству?a5b
14.10.2016 15:57+1Потому что кубит — использует 2 собственных состояния и их суперпозиции. Для большего количества состояний — другое название, кутрит. Изучают (1), но с двоичными лучше проработана "элементная база" и с ними удобнее работать.
Saffron
> Доказательство через квантовые подсчёты также привело к формуле минимальной длины кодов исправления ошибок, оберегающих данные от повреждений.
А разве это не давно решённая задача?
a5b
Это сложности перевода и пересказа научной статьи. Оригинал https://www.quantamagazine.org/20121218-classical-computing-embraces-quantum-ideas/
"A quantum computing proof also led to a formula for the minimum length of error-correcting codes, which are safeguards against data corruption."
Указана ссылка на статью: http://homepages.cwi.nl/~rdewolf/publ/qc/qldc.pdf Exponential Lower Bound for 2-Query Locally Decodable Codes via a Quantum Argument