Почему создание суперкомпьютеров может оказаться под угрозой?
Квантовый компьютер — чрезвычайно полезное изобретение при создании искусственного интеллекта будущего, новых методов криптографии и даже новых типов аккумуляторных батарей. Несмотря на всю универсальность своего применения, устройство может так никогда и не заработать в полную силу. К столь мало обнадеживающим выводам пришел французский исследователь Мишель Дьяконов, который на протяжении многих лет работал над реализацией квантовых вычислений. Ученый считает, что из-за неизбежности случайных ошибок в аппаратном обеспечении устройства, по-настоящему полезные квантовые компьютеры вряд ли когда-либо будут построены.
Для того, чтобы понять, почему создание суперкомпьютеров нового поколения может оказаться под угрозой, нам прежде всего следует разобраться в принципах работы данного вычислительного устройства. Согласно статье, опубликованной на портале theconversation.com, современные компьютеры работают на принципе двоичного кода при хранении данных, в то время как уже созданные квантовые устройства используют систему квантовых битов или кубитов.
Кубиты обладают особыми свойствами: они могут существовать в суперпозиции, являясь одновременно и нулем, и единицей, при этом будучи запутанными между собой даже в том случае, если они находятся на значительном расстоянии друг от друга. Столь необычное поведение не связывается с миром классической физики, так как суперпозиция мгновенно исчезает тогда, когда экспериментатор взаимодействует с квантовым состоянием.
Благодаря суперпозиции, квантовый компьютер со 100 кубитами может одновременно представлять 2100 решений. Для некоторых задач этот экспоненциальный параллелизм может быть использован для создания огромного преимущества в скорости вычислений. Вместе с тем, существует и другой, более узкий подход к квантовым вычислениям, при котором кубиты используются для ускорения задач оптимизации. Так, компания D-Wave Systems, базирующаяся в Канаде, построила системы оптимизации, которые используют кубиты именно для этой цели, хотя некоторые критики утверждают, что полученные в результате системы работают не лучше классических компьютеров.
Квантовые компьютеры компании D-Wave Systems
Несмотря на это, компании и страны вкладывают огромные суммы денег в квантовые вычисления. Известно, что Китай построил новый центр квантовых исследований стоимостью 10 миллиардов долларов США, а Европейский Союз разработал генеральный план квантовых исследований на сумму 1 миллиард евро или 1,1 миллиарда долларов. Новый закон о национальной квантовой инициативе Соединенных Штатов предусматривает выделение 1,2 млрд. долларов США на развитие квантовой информатики в течение пятилетнего периода.
Возможность взлома алгоритмов шифрования является мощным мотивирующим фактором для многих стран мира. Так, знание систем шифрования противника могло бы дать огромное преимущество в разведке, одновременно с этим способствуя проведению новых фундаментальных исследований в области физики, так как современные экспериментальные системы имеют в своем распоряжении лишь менее 100 кубитов. Для достижения полезной вычислительной производительности суперкомпьютера нам, вероятно, понадобятся машины с сотнями тысяч кубитов. Для того, чтобы устройства функционировали правильно, они должны исправлять все мелкие случайные ошибки в программном обеспечении. В квантовом компьютере такие ошибки возникают из-за неидеальных элементов схемы и взаимодействия кубитов с окружающей их средой. По этим причинам кубиты могут потерять когерентность буквально за долю секунды, что может привести к ошибочным результатам работы компьютера.
Иными словами, хотя квантовые суперкомпьютеры и имеют право на существование, правильность их вычислений может попасть под большой вопрос. А как считаете вы, сможет ли человек однажды подчинить себе квантовые технологии? Поделитесь своим мнением с единомышленниками в нашем официальном Telegram-чате.
🤓 Сфера Блоха [PRO MODE]
️ Это необязательный раздел. Он рассказывает почему у кубитов-волн на самом деле есть третья ось (фаза), но если вы не планируете писать код, а просто пришли сюда покекать — можете смело пропустить его и перейти сразу к ниже.
Раз уж мы остались один на один с интеллектуальной элитой, давайте поговорим открыто. В этом посте я постоянно повторяю, что кубит — это волна, при этом мы все знаем, что каждой волны есть частота, амплитуда и фаза.
Амплитуда — как высоко волна прыгает, частота — как далеко, а фаза — откуда начинает. Объяснение для настоящих интеллектуалов.
На частоту мы пока прям совсем забьем. Волны в нашем квантовом мире негармонические и с частотой там всё сложно. Проще принять их как одинаковые и отдать это физикам. Остальное же имеет место быть.
Вспомним наши циферблатики выше, где вероятность бегала между и по окружности.
Они абсолютно верны (даже сам IBM использует такую визуализацию), но они показывают только одно число — амплитуду. А что делать с фазой? Её ведь тоже можно двигать туда-сюда и получать разный результат.
Тут нам приходится нарисовать еще одну ось, от чего красивый циферблатик превращается в сферу.
Такой 3D-циферблатик называется Сферой Блоха и она теперь учитывает и фазу. На такой сфере мы можем визуально представить себе состояние кубита, двигать стрелочку и видеть к какому из полюсов он будет чаще схлопываться.
Вот и всё. Кубит по сути два float’а.
Фаза и правда нужна чтобы глубоко понимать происходящее и изобретать новые алгоритмы, но в рамках этого поста я постоянно буду притворяться как будто её нет, потому что тут и без неё достаточно сложностей.
Hello, World’ы можно писать пока так, а когда уже станете квантовым сеньором — сами будете над всеми смеяться и говорить «хо-хо-хо, как же можно это не знать, это же база»!
Квантовый компьютер в России
Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.
В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.
Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.
Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.
Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.
Стрела времени
Чтобы разобраться еще подробнее, отметим, что в ходе нового исследования физики задавались вопросом о последствиях применения описанной выше парадигмы в квантовой области. Согласно принципу квантовой суперпозиции, отдельные единицы (например, свет) могут существовать одновременно в двух состояниях, как в виде волн, так и в виде частиц, проявляясь в том или ином виде в зависимости от того, что именно вы тестируете.
Команда Рубино рассмотрела квантовую суперпозицию с состоянием, которое развивается как назад, так и вперед во времени. Измерения показали, что чаще всего система в конечном итоге движется вперед во времени. Если бы не небольшие изменения энтропии, система действительно могла бы продолжать развиваться как вперед, так и назад во времени.
Разрушение суперпозиции состоянии при взаимодействии с окружением с течением времени Изображение Joint Quantum Institute
Так как же эти сложные физические понятия соотносятся с реальным человеческим опытом? Неужели наконец-то пришло время начать собирать вещи для путешествия назад во времени? Увы.
И действительно – на самом фундаментальном уровне мир состоит из квантовых систем (которые могут двигаться вперед и назад). Более глубокое понимание того, как описать течение времени на уровне этих элементарных составляющих, могло бы позволить физикам сформулировать более точные теории для их описания и, в конечном счете, получить более глубокое понимание физических явлений мира, в котором мы живем.
Китайский квантовый компьютер
В 2020 году достигнуть квантового превосходства попытались китайские ученые. Для этого они разработали компьютер, предназначенный для решения задачи по сэмплированию бозонов. Если говорить очень коротко, то системе нужно было рассчитать прохождение частиц света (фотонов) через оптический прибор. Эта задача была сформулирована несколько лет назад, но математическую формулу для ее решения создать попросту невозможно. По словам авторов научной работы, суперкомпьютеру TaihuLight для решения этой задачи потребовалось бы около 2,5 миллиардов лет. Но квантовый компьютер справился с задачей всего за 200 секунд.
Один из самых мощных компьютеров в мире — Sunway TaihuLight
Решение стало возможным благодаря одной хитрости. Так как в задаче речь идет о частицах света, вместо кубитов в компьютере использовались такие же фотоны. Таким образом ученые упростили задачу прямо «на уровне железа». Получается, что исследователям действительно удалось достичь квантового превосходства. Но и на это раз без критики не обошлось. Дело в том, что созданное для решение задачи устройство можно назвать компьютером лишь с большой натяжкой. В нем используются квантовые вычисления при помощи кубитов, но его нельзя программировать. То есть, на данный момент такой компьютер нельзя использовать для решения других задач. Но факт того, что квантовое преимущество достигнуто, уже есть.
Однако, с течением времени программируемая система на основе квантов все равно наверняка будет создана. Когда это случится, технологии станут развиваться с молниеносной скоростью. Например, человечество сможет быстро изобретать лекарства от опасных заболеваний и даже узнавать тайны Вселенной. Подробнее о том, как работает квантовый компьютер, можно узнать из этого видео.
Биты и кубиты
В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так:
- В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.
- В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.
- Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
- Из-за того, что транзисторов очень много (миллиарды), а работают они очень быстро (близко к скорости света), транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
- Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.
Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.
Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует.
В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке:
Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере
Как делают кубиты и в чём сложность
Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.
Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.
Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.
С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
Переход на квантовый уровень
Не так давно команда физиков из Университетов Вены, Бристоля, Балеарских островов и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI-Вена) показала, как квантовые системы могут одновременно развиваться по двум противоположным временным стрелкам (вперед и назад во времени). Иными словами, квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени.
Квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени
Ранее, чтобы понять почему, ученые установили, что время знает только одно направление — вперед. Так что нам с вами придется вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутой системе энтропия системы (то есть мера беспорядка и случайности внутри системы) остается постоянной или увеличивается.
Если наша Вселенная представляет собой замкнутый цикл, свернутый в клубок, ее энтропия никогда не может уменьшиться, а это означает, что Вселенная никогда не вернется в более раннюю точку. Но что, если бы стрела времени «посмотрела» на явления, где изменения энтропии невелики?
Вот что говорит об этом Джулия Рубино, научный сотрудник Университета Бристоля и ведущий автор новой статьи: «Давайте предположим, что в начале газ в сосуде занимает только его половину. Затем представьте, что мы удаляем клапан, который удерживал его в пределах половины сосуда, так что газ теперь может свободно расширяться по всему сосуду».
Термодинамика хранит в себе множество тайн о нашем мире и Вселенной
В результате мы увидим, что частицы начнут свободно перемещаться по всему объему сосуда. Со временем газ займет весь сосуд. «В принципе, существует ненулевая вероятность того, что в какой-то момент газ естественным образом вернется, чтобы занять половину сосуда, только эта вероятность становится меньше, чем больше становится количество частиц, составляющих газ», – объясняет Рубино.
Если бы существовало только три частицы газа вместо огромного количества газа (состоящего из миллиардов частиц), эти несколько частиц могли бы снова оказаться в той части сосуда, откуда они первоначально стартовали. Вот такая физика.
ОТО допускает путешествия во времени в будущее. С прошлым все намного сложнее
Далее, как вы могли догадаться, следует второй закон термодинамики – так называемый статистический закон, который является верным в среднем для макроскопической системы. «В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционирует в сторону ситуаций с более низкой энтропией», – отмечают исследователи.
Как квантовые вычисления решают задачи?
Квантовые вычисления значительно ускоряют выполнение некоторых вычислительных задач. Увеличение скорости работы происходит благодаря трем явлениям квантовой механики: суперпозиции, интерференции и запутанности.
Суперпозиция
Представьте, что вы тренируетесь у себя в комнате. Вы выполняете полный поворот налево, а затем полный поворот направо. Теперь попробуйте повернуться одновременно и налево, и направо. Вы не можете это сделать (по крайней мере таким образом, чтобы не разорваться на две части). Очевидно, что вы не можете находиться в обоих этих состояниях одновременно, то есть вы не можете смотреть налево и направо одновременно.
Но если бы вы были квантовой частицей, то у вас была бы определенная вероятность выполнить поворот налево И определенная вероятность выполнить поворот направо. Это возможно благодаря явлению, которое называется суперпозицией (или когерентностью).
Квантовая частица, в частности электрон, имеет собственные свойства поворота налево или направо, например спин, ориентированный вверх или вниз, или, оперируя более традиционными понятиями бинарных вычислений, значение 1 или 0. Когда квантовая частица находится в состоянии суперпозиции, это линейная комбинация бесконечного числа состояний между 1 до 0. Но вы не знаете, в каком именно состоянии она находится, пока не посмотрите на нее. здесь мы переходим к следующему явлению — квантовому измерению.
Запутанность
Одним из самых интересных явлений квантовой механики является способность двух или более квантовых частиц запутываться друг с другом. Когда частицы запутываются, они образуют единую систему, и квантовое состояние любой из них не может быть описано независимо от квантового состояния других частиц. Это означает, что любая операция или процесс, который вы применяете к одной частице, влияет и на другие частицы.
Наряду с этой взаимозависимостью, частицы могут поддерживать связь, даже будучи разделенными на невероятно большие расстояния. Эффекты квантового измерения также применимы к запутанным частицам, поэтому, когда одна частица измеряется и коллапсирует, другая тоже коллапсирует. Так как между запутанными кубитами существует корреляция, при измерении состояния одного кубита можно получить сведения о состоянии другого. Это свойство очень полезно в квантовых вычислениях.
Примечание
Однако не каждая корреляция между измерениями двух кубитов означает, что кубиты запутаны. Классические биты также могут коррелировать. Два кубита запутаны, если существует корреляция, которую нельзя воспроизвести с помощью классических битов. Разница между классическими и квантовыми корреляциями несущественна, но она значительно влияет на скорость вычислений, реализуемых квантовыми компьютерами.
Чтобы узнать больше, см. учебник по квантовому запутыванию с помощью Q#.
Кубиты и вероятность
Обычные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в битах, которые могут иметь состояние, определяемое значением 1 или 0, но не обеими значениями одновременно. Эквивалентом этому в квантовых вычислениях является кубит, который представляет состояние квантовой частицы. Из-за суперпозиции кубиты могут иметь значение 1 либо 0 или промежуточное значение. В зависимости от конфигурации, кубит имеет определенную вероятность сколлапсировать до 1 или 0. Эта вероятность коллапса в одно или другое состояние определяется квантовой интерференцией.
Помните друга, который вас фотографировал? Предположим, у него есть специальные фильтры на камере, называемые интерференционными. Если выбрать фильтр 70/30 и начать фотографировать, на 70 % снимков вы будете смотреть налево, а на 30 % — направо. Фильтр изменил обычное состояние камеры, чтобы повлиять на вероятность, определяющую ее поведение.
Аналогичным образом квантовая интерференция воздействует на состояние кубита, чтобы повлиять на вероятность получения определенного результата во время измерения. Этот вероятностный характер и делает квантовые вычисления такими мощными.
Например, мы можем взять два бита, лежащих в основе обычных вычислений. Каждый из них может принимать значение 1 или 0, следовательно, всего вы можете хранить четыре возможных значения: 00, 01, 10 и 11. При этом в определенный момент времени доступно только одно такое значение. Но при наличии двух кубитов в суперпозиции каждый из них может иметь значение 1, 0 или оба эти значения, поэтому вы можете получить те же самые четыре значения одновременно. С тремя кубитами вы получаете восемь значений, с четырьмя кубитами — 16 значений и т. д.
Для чего можно использовать квантовые вычисления?
Квантовый компьютер — это не суперкомпьютер, который все делает быстрее. Одной из целей исследований в области квантовых вычислений является изучение того, какие задачи квантовый компьютер решает быстрее, чем обычный компьютер, и насколько значительным может быть такое ускорение вычислений.
Квантовые компьютеры отлично показывают себя при решении задач, которые требуют расчета множества разных возможных комбинаций. Задачи такого типа можно найти в самых разных сферах.
Квантовое моделирование
Квантовая механика — это базовая «операционная система» нашей Вселенной. Она описывает поведение основных стандартных блоков окружающей среды. Природные явления, в том числе химические реакции, биологический обмен веществ и строение материалов, во многом основаны на квантовых взаимодействиях. Квантовые вычисления могут помочь в моделировании изначально квантовомеханических систем, например молекул, так как для представления естественных состояний можно использовать кубиты.
Квантовое шифрование
Шифрование — это метод сокрытия конфиденциальной информации с помощью физических или математических средств, таких как использование задач с высоким уровнем вычислительной сложности. Классическая криптография оперирует понятиями неразрешимости некоторых задач, таких как факторизация целых чисел или дискретное логарифмирование, многие из которых можно решать более эффективно с помощью квантовых компьютеров.
В 1994 году Питер Шор (Peter Shor) показал, что масштабируемый квантовый компьютер может взломать классические криптографические схемы, например схему Ривеста — Шамира — Адлемана (RSA), которая широко используется в электронной коммерции для защиты передаваемых данных. Эта схема основана на вычислительной сложности задачи факторизации целых чисел с использованием классических алгоритмов.
Квантовое шифрование обеспечивает секретность информации за счет использования основ физики, а не предположений о сложности. На сегодня схема RSA является безопасной, поскольку масштабируемый квантовый компьютер еще не доступен. Но когда квантовые компьютеры достигнут необходимого масштаба, квантовые алгоритмы с полиномиальным ускорением смогут решать базовые математические проблемы этих криптосистем.
В ожидании достаточно крупного и устойчивого к сбоям квантового компьютере самыми активными направлениями для исследований сейчас являются:
- оценка безопасности криптосистем определенной битовой длины после внедрения квантовых вычислений;
- оценка времени перехода с нынешних криптосистем на новые.
Алгоритмы поиска
В 1996 году Лов Гровер разработал квантовый алгоритм, который значительно ускорил поиск в неструктурированных данных и который включал меньшее количество шагов, чем любой другой классический алгоритм.
Задача поиска носит общий характер. Действительно, любую задачу, которая позволяет проверить, является ли данное значение $x$ допустимым решением (задача «да — нет»), можно сформулировать в виде задачи поиска. Ниже приводятся некоторые примеры:
- Задача логической выполнимости. Существует ли набор логических значений $x$ (присвоение значений переменным), удовлетворяющих заданной логической формуле?
- Задача коммивояжера. Является ли $x$ кратчайшим возможным маршрутом, соединяющим все города?
- Задача поиска в базе данных. Содержит ли таблица базы данных запись $x$?
- Задача факторизации целых чисел. Делится ли фиксированное число $N$ на число $x$?
Некоторые из этих задач лучше подходят для использования алгоритма Гровера, чем другие. Дополнительные сведения см. в статье о теоретической основе алгоритма поиска Гровера. Практическую реализацию поиска по алгоритму Гровера, которая позволяет решать математические задачи, вы найдете в этом учебнике.
Квантовое машинное обучение
Машинное обучение на классических компьютерах кардинально меняет сферы науки и бизнеса. Тем не менее высокие вычислительные затраты на обучение моделей препятствуют развитию и масштабированию области. Специалисты по квантовому машинному обучению изучают способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения с поддержкой машинного обучения, которое работает быстрее, чем классические компьютеры.
Пакет средств разработки Microsoft Quantum (QDK) включает , которая позволяет выполнять гибридные эксперименты квантового и классического машинного обучения. Библиотека включает примеры и руководства, а также предоставляет необходимые инструменты для реализации нового гибридного алгоритма квантовых и классических вычислений (квантового классификатора, ориентированного на схемы) для решения задач контролируемой классификации.
