Вселенский компьютер. Как квантовое превосходство Google изменит нашу жизнь - фото

Вселенский компьютер. Как квантовое превосходство Google изменит нашу жизнь

26 октября 2019, 08:30

Квантовые компьютеры могут изменить историю человечества. И Google утверждает, что это случится совсем скоро.

Коротко:

 — что такое квантовый компьютер и квантовое превосходство

— какой квантовый компьютер разработали в Google

— почему в IBM опровергают квантовое превосходство Google

Видео дня

Н едавно в Google заявили, что они разработали первый в мире квантовый компьютер, способный выполнять операции, которые не под силу любым классическим компьютерам. Проще говоря, руководство Google замахнулось на достижение квантового превосходства. Величайшие умы человечества гнались за этим превосходством последние 30 лет, ведь оно может кардинально изменить сферу информационных технологий и аппаратного обеспечения.

В IBM с возможным открытием не согласились, и сказали, что их компьютеры работают не хуже, чем новая квантовая машина от Google. В связи с этим, НВ разбиралось, кто вырывается вперед в гонке двух американских корпораций, и зачем вообще нужно квантовое превосходство вместе с квантовыми компьютерами.

Что сделали в Google?

Google

Фото: Google

К омпания заявила о достижении квантового превосходства еще несколько недель назад, и сообщила, что их эксперимент «знаменует первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре». На днях в журнале Nature появилась научная статья с названием «Квантовое превосходство, используя программируемый сверхпроводящий процессор», в которой детально объясняется достижение Google.

Вкратце, в материале говорится, что компания создала процессор Sycamore — первый программируемый квантовый процессор, который может достигать квантового состояния 53 кубитов (кубит — минимальная единица информации в квантовых компьютерах, которая может находиться в нескольких состояниях пространства-времени одновременно).

На практике квантовый компьютер Google Sycamore выполнил задачу, которая не под силу обычным компьютерам, где в качестве минимальной единицы информации используются биты, которые могут иметь только одно состояние — 0 или 1.

Этой задачей было «доказательство случайности чисел, которые созданы генератором случайных чисел». В статье Nature указано, что «цепи случайных чисел являются наиболее подходящими для эталонного тестирования (англ. — benchmarking), поскольку у них нет структуры». Согласно результатам исследования, Sycamore доказал случайность огромного количества случайно сгенерированных чисел всего за три минуты и 20 секунд.

«Sycamore нужно около 200 секунд для выборки одного экземпляра квантовой схемы миллион раз. Эквивалентная задача для современного классического суперкомпьютера займет около 10 тыс. лет. Это резкое увеличение скорости по сравнению со всеми известными классическими алгоритмами является экспериментальной реализацией квантового превосходства», — пишут авторы исследования.

В Google говорят, что их квантовый процессор состоит из 54 кубитов, связанных в форме прямоугольной решетки. Лишь один из этих кубитов не работает, и существует только для поддержания структуры чипа.

Google
Фото: Google

Технически компьютер создали из алюминия, индия (очень мягкий металл) и кремния. Объединить эти материалы удалось благодаря эффекту Джозефсона — протекания сверхпроводящего тока через два сверхпроводника. Чтобы достичь квантового состояния кубитов, процессор охлаждают в специальном холодильнике до температуры, близкой к абсолютному нулю (20 милликельвинов), что примерно равняется минус 273 градусам Цельсия.

С помощью так называемых аттенюаторов — устройств, которые снижают интенсивность электромагнитных колебаний — и дополнительных фильтров суперохлажденный Sycamore подключен к обычной электронике, которая работает при комнатной температуре, и благодаря цифро-аналоговым преобразователям может считывать информацию из квантового компьютера.

Если в действительности все так, и в Google создали устройство, которое за мгновения решает сложнейшие задачи, — компания впервые в истории достигла квантового превосходства и сделала огромный шаг навстречу компьютерам нового поколения.

Все было бы хорошо, если бы конкуренты из IBM не опровергли эту информацию и не заявили, что их обычные компьютеры сейчас могут производить такие же вычисления.

Как отреагировали в IBM?

IBM

Фото: IBM

З а пару дней до публикации научного исследования о процессоре Google Sycamore в журнале Nature, на сайте IBM Research Blog появилась статья, в которой сотрудники отдела квантовых вычислений IBM раскритиковали новое изобретение своих конкурентов и написали, что заявления Google о достижении квантового превосходства не соответствуют действительности.

Четверо сотрудников IBM написали, что с учетом оптимизации оборудования и хранения информации не только в оперативной памяти устройства, но и на жестких дисках, их суперкомпьютер Summit сможет провести вычисления, которые провел Sycamore, всего за два с половиной дня, а не за 10 тыс. лет, как об этом заявили в Google.

«У нас есть достаточно доказательств того, что термин „квантовое превосходство“ неверно истолковывается и вызывает серьезную путаницу. Мы призываем людей с большей долей скептицизма рассматривать заявления о том, что впервые квантовый компьютер превзошел вычисления классических компьютеров из-за сложного характера сопоставления соответствующей метрики», — пишут представители IBM.

Конкуренты Google, которые также работают над эффективным квантовым компьютером, напомнили, что квантовые технологии должны оказывать положительное влияние на общество и реализовывать практические решения. Лишь в этом случае можно говорить о «превосходстве» подобных вычислительных систем.

Действительно, задача которую выполнил Sycamore за 200 секунд может быть чрезвычайно сложной и, допустим, даже непреодолимой для классических компьютеров. Но в Google упускают тот факт, что произведенные вычисления имеют лишь технический характер. В теории компьютер Google мог достичь квантового превосходства, поскольку Джон Прескилл, который предложил этот термин в 2012-м, не разделял превосходство квантовых компьютеров над обычными в решении практических или технических задач.

«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Эта цель, вне зависимости от текущих заявлений, пока не была достигнута

По его словам, квантовые технологии будут полезными, когда появятся квантовые вычислительные системы для надежного и воспроизводимого выполнения реальных квантовых алгоритмов и программ. «Тогда мы доберемся до эпохи квантового преимущества и сможем использовать комбинированные квантово-классические системы для ускорения прогресса в науке и создания коммерческой ценности для бизнеса. Эта цель, вне зависимости от текущих заявлений, пока не была достигнута», — говорит Гил.

Точно так же представители IBM могли говорить о преодолении порога квантового превосходства ровно год назад: 19 октября 2018-го в журнале Science опубликовали исследование, авторами которого выступили сотрудники IBM и ученые из Университета Ватерлоо и Мюнхенского технического университета. В материале указано, что их квантовый компьютер решает сложную алгебраическую формулу, которую не могут решить классические компьютеры.

«Наша работа дает безусловное доказательство вычислительного квантового преимущества. Предложенный квантовый алгоритм является подходящим кандидатом для экспериментальной реализации в ближайшем будущем, так как для него нужны только квантовые цепи постоянной глубины в соединении на двумерной сетке кубитов (квантовых битов)», — писали авторы исследования.

Чтобы не путаться с настоящим и ненастоящим квантовым превосходством, за которым гоняются в Google и IBM, стоит рассмотреть суть и предназначение квантовых компьютеров несколько глубже.

Что такое квантовые компьютеры и зачем они нужны?

К онцепт квантового компьютера принадлежит американскому лауреату Нобелевской премии по физике Ричарду Фейнману, который за несколько лет до своей смерти в 1988-м предположил, что квантовые компьютеры смогут объединить физические и химические свойства вещества и позволят гораздо быстрее масштабировать объем вычислений, производимый классическими компьютерами.

В поисках решения этой задачи последователи Фейнмана пришли к упомянутым выше кубитам — минимальным единицам информации, которые могут находиться в нескольких состояниях пространства-времени одновременно. Очевидно, концепт квантовых компьютеров переплетается с квантовой суперпозицией — нахождением атомов в нескольких состояниях одновременно за счет взаимодействия атомов и элементарных неделимых частиц — квантов — в определенный условиях.

Как мы уже писали, в классическом компьютере минимальные единицы информации — биты — могут иметь только два значения — 0 и 1, и даже самое сложное программное обеспечение в своей основе представляет лишь очень длинную последовательность из единиц и нулей.

Кубит, в свою очередь, поддерживает состояния обоих значений (0 и 1) одновременно, что позволяет обрабатывать гораздо большее количество информации и, в теории, выполнять невозможные для современных компьютеров задачи. В понятном нам сравнении, биты в клас­си­че­ском ком­пью­те­ре — это мо­не­та, которая может показывать или орла или решку. Кубиты — это монеты, которые постоянно вращаются и показывают и орла и решку одновременно.

Кроме этого, математическое преимущество кубитов перед битами в том, что при добавлении одной единицы они удваивают мощность всей микросхемы, а добавление одного бита к другому практически ничего не меняет и все равно требует колоссальных объемов информации и микросхем для решения сложных задач. Ранее эксперты подсчитали, что создание квантового компьютера мощностью в 300 кубитов будет соответствовать классическому компьютеру с количеством битов, равным количеству атомов во вселенной, — примерно 91-значное число.

Insider.pro
Фото: Insider.pro

Рабочие квантовые компьютеры должны произвести революцию абсолютно во всех сферах жизни. Считается, что первой сферой их применения станет химия: создав алгоритм, который позволит анализировать невероятное количество разных веществ и их свойств, квантовый компьютер поможет ученым разработать самые прочные, легкие, безопасные и эффективные материалы.

Благодаря этому самолеты станут летать гораздо дальше и быстрее, электрокары можно будет заряжать раз в год, смартфоны превратятся в голограммы на глазных линзах, медики найдут лекарство от рака, ну а 400 с лишним депутатов заменит небольшая микросхема, которая будет отстаивать политические интересы всех граждан страны.

Правда, есть и негативные стороны такого изобретения: так называемый квантовый заговор предполагает, что первое правительство, в руки которого попадет рабочий квантовый компьютер сможет взломать существующие технологии шифрования и получить доступ ко всем электронным системам безопасности любого государства. Согласно документам, которые опубликовал бывший сотрудник ЦРУ Эдвард Сноуден, Национальное агентство безопасности США еще в 2013-м выделило около $80 млн на создание квантового компьютера, который сможет обойти большинство типов цифровой защиты.

На этом фоне вспоминается сотрудничество Google с Пентагоном, во время которого интернет-корпорация разрабатывала беспилотное боевое оружие для американской армии, а позже была вынуждена отказаться от этого проекта из-за протеста своих же сотрудников.

Похожее происходило и с IBM в начале нулевых, когда компанию обвиняли в содействии Гитлеру в период Холокоста. В то время американский журналист Эдвин Блэк издал книгу, в которой детально описывалась деятельность дочерней компании IBM — Watson Business Machines — во время оккупации Польши фашистскими войсками. Но это, как говорится, уже совсем другая история, которая станет основой для многих теорий заговора.

Так кто кого превзошел?

Google

Фото: Google

Н а самом деле, не так важно, кто достигнет или уже достиг формального квантового превосходства. Похоже, что как в Google, так и в IBM пришли к формуле сверхпроводящих материалов и технологий, которые позволяют поддерживать квантовое состояние кубитов при максимально низких температурах хотя бы на некоторое время.

Да, за это время квантовые компьютеры уже сейчас могут выполнять определенные задачи, и да, эти задачи могут быть не под силу обычным комьютерам или даже хваленому IBM Summint. Но, вспомним 72-кубитный квантовый компьютер Google Bristlecone, который компания представила в марте 2018-го и который стал предшественником Sycamore, — техника оказалось слишком сложной, чтобы ею можно было управлять и производить какие-либо вычисления.

Вдобавок, стоит учесть, что все громкие заявления от Google и IBM по поводу квантового превосходства, и своего превосходства друг перед другом, основаны только на теоретических расчетах.

10 тыс. лет, ровно как и два с половиной дня для «доказательства случайности случайно сгенерированных чисел» квантовым или обычным компьютером, о которых говорили представители и той и другой компании, — это лишь моделирование процесса, а не реальное его исполнение.

Даже если компании и смогут это выяснить, и окажется, что их компьютеры способны быстро выполнять сложные, но неприменимые в реальном мире вычисления, какая разница кто из них первых достиг превосходства?

Вероятнее всего, в историю войдет тот, кто с помощью своего квантового компьютера сможет найти какую-либо экзотическую материю или придумать новое топливо для ракетных двигателей. А выбирать и выполнить простейшую задачу для своих, пускай даже и квантовых, устройств останется прерогативой маркетологов и медийщиков, которые любят громкие заголовки.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X