Квантовые компьютеры — это устройства, в которых для передачи и обработки данных используются такие явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность. Эксперты утверждают, что при определенном количестве кубитов процессора квантовый компьютер будет превосходить стандартные компьютеры и даже суперкомпьютеры. Правда, для всех типов задач такие компьютеры не годятся, но, например, в криптографии их можно использовать очень продуктивно. На данный момент над созданием квантовых компьютеров работают IBM, Google и некоторые другие компании.
Их интерес к такому типу устройств понятен — ведь квантовые компьютеры, кроме криптографии, можно использовать для работы с любыми многочастичными системами. А это значит, что квантовый компьютер отлично подходит для решения задач ядерных физиков, генетиков, энергетиков, метеорологов, представителей IT сферы и, конечно же, военных. На днях стало известно о том, что корпорация Google уже к концу этого года планирует запустить 49-кубитный квантовый компьютер.
Увеличить количество кубитов планируется при помощи новой системы, в составе которой будет работать массив из 7*7 кубитов. Если этот проект удастся реализовать, у Google появится один из наиболее мощных квантовых компьютеров на данный момент, если не самый мощный. Сами представители компании надеются рано или поздно достичь «квантового превосходства». Нет, сотрудники Google не планируют ходить с гордо поднятой головой по улицам городов после создания сверхпроизводительного квантового компьютера (хотя, почему нет?). Квантовым превосходством называют состояние, когда уже ни один традиционный компьютер, даже самый мощный, не сможет соревноваться с квантовым по мощности.
«Мы много лет говорим о том, насколько мощным может быть квантовый процессор, поскольку здесь вступают в действие законы квантовой физики, сейчас мы хотим продемонстрировать это», — заявил представитель команды исследователей Google Джон Мартинис.
В принципе 49 кубитов — это хорошо, но все равно, даже такой мощный квантовый компьютер это все еще лишь начало квантового будущего. К слову, эксперты полагают, что массовое появление квантовых компьютеров означает конец криптографии в том виде, в котором мы ее знаем и понимаем. Достаточно мощная квантовая система (здесь речь идет о процессоре, состоящем из 100 млн кубитов) может подобрать 2000-битный ключ всего за день. Но, конечно, до создания квантовых компьютеров такой мощности еще очень далеко — сейчас кубиты все еще измеряются десятками, даже не сотнями. А выше речь шла о 100 млн. Это достаточно отдаленное будущее.
На Geektimes публиковалась информация о квантовом компьютере D-Wave. Но на самом деле это не полноценный квантовый компьютер, а только лишь установка квантового отжига. По словам Грега Талланта, главы Центра квантовых вычислений компании Lockheed Martin, такая система может решать задачи на базе модели Изинга, она подходит для использования в ограниченном числе проектов.
Ряд специалистов занимается эмуляцией квантовых компьютеров на современных сверх производительных традиционных системах. Классические компьютеры действительно могут работать, эмулируя работу квантовых систем. Но здесь есть ограничения. Например, в апреле суперкомпьютер Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (англ. Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab, LBNL) смог поработать в качестве квантового компьютера с 45 кубитами. Мощность этой системы составила около 29 петафлопс. Ученые считают, что если сравнивать обычные системы с квантовыми, то первые не смогут выйти за рамки 49 кубитов.
Google ранее опробовал в работе квантовые компьютеры на основе массивов из 9*1 кубитов и 2*3 кубитов. Теперь задача — все это масштабировать, чтобы создать действительно мощные квантовые системы. При этом разработчикам удалось добиться нормального хода работы квантового компьютера при условии почти полного отсутствия контроля ошибок системы. Создатели системы обещают, что даже для системы из 50 кубитов не понадобится коррекция ошибок, или она будет минимальной. Правда, пока что это только планы, которые могут и не сбыться.
В Google пока не могут уточнить, какие полезные задачи будет выполнять 50-кубитный квантовых компьютер. Но в том, что системы нового типа будут полезными для всего мира, разработчики квантовых компьютеров не сомневаются.
Комментарии (42)
Nathanson
26.05.2017 11:20Я вот давно почитываю о квантовых компьютерах, но до сих пор не могу полностью осознать вот этот момент с битом в суперпозиции. Кто-то может простым языком объяснить как вообще происходит вычисление с битами в суперпозиции? Сколько ни пытался, не могу понять, как это работает. Вот я хочу на квантовом компьютере сложить 100 + 25, что будут делать кубиты с этим?
zim32
26.05.2017 11:42Ну ваш пример с суммой конечно тут не особо подходит, но я так понимаю это как если сначала вы свяжите алгортимически определенные кубиты, потом введете данные и просто снимите результат, который и будет суммой. На сколько я понимаю суперприрост достигается на опрпделенных задачах с определенными алгоритмами
Lachezis
26.05.2017 11:54+1Почитайте мануал к IBM quantum experience. Там достаточно подробно рассказывают про принципы вычисления с помощью кубитов + песочница.
https://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/tutorial?sectionId=b03bd3750e9b05822d31f4d9ffb097ba&pageIndex=0
k155la3
26.05.2017 19:25В сложении и нет никакой выгоды.
Выгода появляется там, где начинаются существенно квантовые операции. Например, представьте себе единичный вектор размерности 2^n (n — разрядность квантового регистра), и что Вы одной операцией способны повернуть его.
Согласитесь, что при разрядности 49 (вектор в 100 триллионноразмерном пространстве) от затеи уже начинает ощущаться определённый профит?
san-x
26.05.2017 19:47+1Я, признаться, матчасть так и на осилил, но если в двух слова, упрощенно и на языке научпопа «для домохозяек», то я понял это так (пусть меня поправят, если я совсем все напутал). Основной шум вокруг КК — изза их способности сильно ускорять вычисления, связанные с перебором вариантов, поиском тех из них, которые дают некий заданный результат.
Грубо говоря, если есть некая y=f(x), обратная от которой имеет несимметричную сложность вычисления (ну скажем, факториал 663! посчитать легко, а вот обратно — уже боль), то классический способ вычисления обратной — сводится к перебору x, последовательному вычислению прямой функции, и сравнению результата прямой с аргументом обратной, и все оптимизации до сих пор сводятся к сокращению области поиска.
И фишка КК в том, что вместо последовательного перебора конкретных значений, на вход квантового вычислителя подается значение, представленное набор битов в суперпозиции, и (ни ноль, ни единица), и искомый результат, и вся система может коллапсировать только одним возможным способом, при котором результат равен искомому.
Ну т.е. надо нам обратный факториал от 24 посчитать. Вместо перебора 1, 2, и тп, просто подаем на вход вычислителя факториала x в суперпозиции и 24 как искомый результат, система коллапсирует, и аргумент коллапсирует в 4.
Повторюсь, конструктивные помидоры от людей «в теме» — принимаются с радостью.
arielf
26.05.2017 21:24Лучшее объяснение принципу квантовых вычислений в теории Мультивселенной. Квантовая машина работает так же как и обычная, но вычисления происходят параллельно во множестве копий Вселенной. В конце результат вычисления доступен в каждой из Вселенных. Вполне логично, ежели разложение корня на множители в общем требует определённого числа операций, то где они будут происходить в квантовой машине?
Nathanson
26.05.2017 23:36Дэвид Дойч, залогиньтесь =)
Нет, мне тоже нравится эта идея и объяснение, но вот услышать бы мнение настоящих физиков, хорошо в этом разбирающихся. То есть, как они объяснят получение этого результата? Если вам не нравится объяснение с мультивселенной, то что конкретно происходит в компьютере и как он тогда считает?arielf
27.05.2017 00:45+1Я вполне физик. :3 Правда, в процессе образования после перерыва, но… Как именно оно работает вам никто не скажет. Вам покажут формулы, вполне работающие и дающие верный результат. Ибо в квантовой механике много разных интерпретаций, включая и очень экзотические. И общего мнения по ним не приняли. Дэвид Дойч ещё более физик, чем я, и именно его работы легли в основу квантовых вычислений. Многомировая версия квантовой механики наиболее разумная с позиции объяснения. В ней не нужны ни влияние сознания на эксперимент, ни коллапс волновой функции, ни неизмеримые величины, и прочая магия.
Siroejka
27.05.2017 05:46В конце результат вычисления доступен в каждой из Вселенных.
Разъясните пожалуйста, потому что в книге этот момент не уточняется или я пропустил.
Именно правильный результат доступен во всех Вселенных или в каждой Вселенной он будет свой, но правильный только в нашей?arielf
27.05.2017 23:33+1Очень подробно разобрано в Дэвид Дойч, «Структура реальности», глава 9. Наша Вселенная ничем не выделена в ряду прочих. Конечно, результат один во всех Вселенных. Объединение результатов вычисления происходит в процессе интерференции. Ровно как и фотоны в интерферометре.
Больше полезной инфы.
http://www.quiprocone.org/Protected/DD_lectures.htm
https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Deutsch_quantum_theory.pdf
http://www.michaelnielsen.org/qcqi
Hellsy22
26.05.2017 11:58Как вообще сравнивают мощности квантовых и классических компьютеров, если классические компьютеры универсальны, а квантовые заточены под решение крайне узкого круга задач?
Murmand
26.05.2017 12:02обычные компьютеры на заре их эры тоже были заточены под решение крайне узкого круга задач
artskep
26.05.2017 12:15Ну, если рассматривать не счеты и табуляторы, то вообще-то даже на заре пытались делать более или менее универсальные машины. Машина Тьюринга, как абстрактное вычислительное устройство в сознании пионеров эры компьютеров, вполне универсальна. С квантовыми вычислениями пока подобной универсальности не наблюдается.
Sychuan
26.05.2017 14:15С квантовыми вычислениями пока подобной универсальности не наблюдается.
Почему? Квантовые компьютеры умеют вычислять все то же самое. Просто некоторые вещи они могут вычислять быстрее.
Murmand
26.05.2017 14:27+1Разве мог Тьюринг представить (да и собственно предполагать), что через каких то 50 лет машина разработанная им для дешифровки немецкого шифра будет исполнять хотя бы десятую часть из того, что мы сейчас делаем на своих компьютерах?
artskep
26.05.2017 21:07+1Машина Тьюринга — это не Бомба, которая была сделана для шифров.
И чего могут/не могут делать машины он неплохо представлял, как чисто математически (решив «проблему остановки»), так и «в бытовом смысле» (придумав тест имени себя).
Кстати, второй части мы пока что не достигли — нормально тест Тьюринга пока что ни один бот толком не прошел.
k155la3
26.05.2017 19:31-1Квантовый компьютер в предельном переходе даёт классический. :) То есть, при желании, Вы можете изобразить машину Тюринга на квантовом компе (хотя и непонятно, нафига это нужно). Обратное — неверно.
…
«Неуниверсальность» появляется лишь потому, что квантовые вычисления НЕВЕРОЯТНО большой гемморой для нашей технологии по сравнению с классическими. Поэтому нет смысла делать на квантовом компе нечто, не требующее существенно квантовых операций.
14нм литографический завод может делать изображения на не хуже, чем любой принтер. Но нет смысла использовать завод для распечатки статьи. Принтер дешевле.DmitriyN
26.05.2017 21:49+1Обратное тоже верно — квантовые компьютеры отнюдь не супертюринговые.
k155la3
26.05.2017 21:53-1? Вы не можете эмулировать на машине Тьюринга квантовый компьютер.
Вы не можете исполнить алгоритм Гровера ни на какой классической машине. В принципе.
Вы можете исполнить только классический алгоритм с перебором и притвориться, что «это то же самое, потому что получен тот же результат», что разница только в производительности. Хотя на самом деле — разница в алгоритме.DmitriyN
26.05.2017 21:55+1Почему это? Мне всегда казалось, что обычные компьютеры вполне неплохо справляются с линейной алгеброй.
k155la3
26.05.2017 21:58А при чём тут линейная алгебра?
Расскажите мне, пошагово, как будет выглядеть исполнение квантового алгоритма (ну, пусть Гровера, раз уж я взял его для примера) на классической машине (пусть недетерминированной)?DmitriyN
26.05.2017 22:07+1Так же, как и симуляция любой другой конечномерной квантовой системы. Состояния — вектора над комплексными числами. Квантовые гейты — их унитарные преобразования. Выполнение алгоритма — применение унитарных преобразований к векторам (фактически, умножение векторов на матрицы). Если нужно зачем-то просимулировать измерение (например, для постселекции) — умножаем вектор состояния на сопряженный, получаем вероятности и делаем рандомный выбор в соответствии с распределением.
Если хочется посимулировать еще и шум, то делаем то же самое, но над матрицами плотности.k155la3
26.05.2017 22:17-1А Вам совсем не видится подставы в том, что сложность (в смысле, O(n)) получившегося у Вас при «симуляции» алгоритма таки очень отличается от O(n) квантового?
Я могу дать Вам алгоритм для КК с линейной сложностью, а Вы при эмуляции на Тьюринге получите экспоненту. И Вы по-прежнему будете считать, что машина Тьюринга эквивалентна КК? Вы только что доказали, что NP=P?
Для обеспечения такой «эквивалентности» Вам придётся выкинуть теорию алгоритмов. Потому что нынешняя теория таких трюков не понимает.
Ну или «просто игнорировать её». Что, конечно, гораздо удобнее.DmitriyN
26.05.2017 22:43+4На это существует несколько известных мне точек зрения и никакая из них не опровергает возможность симуляции.
Во-первых, изменение асимптотической сложности алгоритма не имеет никакого отношения к симуляции. Скажем, алгоритм, выполняющийся с логарифмической сложностью на машине с произвольным доступом к памяти может стать полиномиальным на машине с лентой (типа классической машины Тюринга). Верно ли тогда на ваш взгляд утверждение, что обычный компьютер не эквивалентен машине Тюринга? Ведь рост сложности такой же, как при переходе классический-квантовый. Тоже экспоненциальный.
Во-вторых, сложность — вещь асимптотическая и по хорошему, имеет только предельный смысл. Если я сделаю матричный процессор, который будет умножать матрицу размером 2^16 на вектор размером 2^8 за стабильное количество тактов, то он будет полностью эквивалентен восьмикубитному квантовому компьютеру с точки зрения «усеченной» сложности. Более того, он будет наверняка быстрее, потому что обычно GP квантовые компьютеры не могут выполнить произвольный гейт за раз — гейты собираются из элементарных гейтов. А такая машина сможет.
Shifty_Fox
27.05.2017 18:22А вас не смущает, что когда квантовый компьютер будет симулировать классический то сложность его алгоритмов будет сильно выше таковой у нативного классического, и по производительности он будет сильно отставать?
k155la3
27.05.2017 18:26Нет. Потому что это не так.
Классический компьютер — это квантовый компьютер в предельном переходе. Машина Тьюринга — квантовый компьютер, в котором как представления величин используются только чистые состояния и собственные значения ВФ.
Sychuan
26.05.2017 14:13Вы не правы. Квантовые компьютеры — это недетрменированная машина Тьюринга. Они могут ровно все то, что и обычные компьютеры и ни больше, и ни меньше.
fotofan
26.05.2017 15:42А как же D-Wave?
Sychuan
26.05.2017 15:57+1D-Wave — это не универсальный квантовый компьютер
fotofan
26.05.2017 16:10-1Сорри, прочитал, в чём разница. Хотя остаётся непонятно, почему D-Wave со своими наработками не может создать тоже что и гугл или даже мощнее?
k155la3
26.05.2017 19:36Ну, время декогеренции, например, может оказаться неприемлимым в более универсальной (читать как «большей») системе.
Juster
26.05.2017 23:18А у гугла тоже квантовый отжиг или полноценные кубиты?
a5b
27.05.2017 03:18Полноценные кубиты от команды http://web.physics.ucsb.edu/~martinisgroup/ (John Martinis and his team at UC Santa Barbara will join Google in this initiative — сентябрь 2014).
Публикации: http://web.physics.ucsb.edu/~martinisgroup/publications.shtml
Демонстрация 5 кубитов на чипе: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1402/1402.4848.pdf (Nature 508, 500-503 (2014), DOI: 10.1038/nature13171, scholar)
Here, we demonstrate a universal set of logic gates in a superconducting multi-qubit processor, achieving an average single-qubit gate fidelity of 99.92% and a two-qubit gate fidelity up to 99.4%.… five qubits arranged in a linear array with nearest-neighbour coupling. As a further demonstration, we construct a five-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state using the complete circuit and full set of gates. The results demonstrate that Josephson quantum computing is a high-fidelity technology, with a clear path to scaling up to large-scale, fault-tolerant quantum circuits.
Показали 1 и 2-кубитные операции с приемлемой точностью, получили универсальный набор (в основе two-qubit controlled-Z и 24 однокубитных вращения "Clifford"). Успешно собрали 5-кубитное состояние GHZ (FIG. 4).
https://www.aps.org/publications/apsnews/201705/quantum.cfm
John Martinis, one of Google’s quantum computing gurus, laid out the company’s "stretch goal": to build and test a 49-qubit ("quantum bit") quantum computer by the end of this year. This computer will use qubits made of superconducting circuits.… To demonstrate that their 49-qubit quantum computer works, Martinis’s group will first precisely prepare the qubits — embedded on a chip — in an initial quantum state. Then, they will control the qubits using applied potentials and let the states evolve. Finally, they will measure the qubits’ state and compare it to a theoretical simulation of the experiment calculated by a classical supercomputer. If the final state matches their classical simulation, they will have successfully controlled the evolution of the qubits — which means they can perform quantum computations.… his group has already successfully built and tested a 9-qubit version.… Before making the 49-qubit version, they will first scale up to a 20 or 30-qubit computer.
Published last month in Nature, the Google group predicted that industry will commercialize small, specialized quantum computers five years from now. "If we can do something useful and commercially viable, then there will be funding to build up the industry and scale up," Martinis says.a5b
27.05.2017 03:31Статья про 9-кубитный — https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1511/1511.03316.pdf "Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit" — Nature 534, 222-226 (2016), DOI: 10.1038/nature17658, https://arxiv.org/abs/1511.03316 (10 Nov 2015):
Devices were made at the UC Santa Barbara Nanofabrication Facility, a part of the NSF-funded National Nanotechnology Infrastructure Network, and at the NanoStructures Cleanroom Facility.
quverty
31.05.2017 16:04+1Не совсем так
two-qubit controlled-Z и 24 однокубитных вращения «Clifford»
не образуют универсальных набора. Это следует из теоремы Готтесмана-Нилла. Авторы статьи этого и не утверждают. Они эти операции для бенчмарки только используют. Для универсальности к ним надо добавить ещё какое-нибудь однокубитовое вращение.
densss2
Выглядит стимпанково)))
Skerrigan
Только вот технологический уровень вполне недалек от атомарного.
На коленке такое явно не соберешь.
zone19
А никто и не обещал, что будет легко.
densss2
Мой комментарий касался внешнего вида, а не технологического уровня. Разве нет?
//любитель стимпанка