Вселенський комп’ютер. Як квантова перевага Google змінить наше життя - фото

Вселенський комп’ютер. Як квантова перевага Google змінить наше життя

26 жовтня 2019, 08:30

Квантові комп’ютери можуть змінити історію людства. І Google стверджує, що це трапиться зовсім скоро.

Коротко:

— що таке квантовий комп’ютер і квантова перевага

— який квантовий комп’ютер розробили в Google

— чому в IBM спростовують квантову перевагу Google

Н ещодавно в Google заявили, що вони розробили перший у світі квантовий комп’ютер, здатний виконувати операції, які не під силу будь-яким класичним комп’ютерам. Простіше кажучи, керівництво Google замахнулося на досягнення квантової переваги. Найбільші уми людства гналися за цією перевагою останні 30 років, адже вона може кардинально змінити сферу інформаційних технологій і апаратного забезпечення.

Відео дня

У IBM з можливим відкриттям не погодилися, і сказали, що їх комп’ютери працюють не гірше, ніж нова квантова машина від Google. З огляду на це, НВ розбиралася, хто виривається вперед у гонці двох американських корпорацій, і навіщо взагалі потрібна квантова перевага разом з квантовими комп’ютерами.

Що зробили в Google?

Google

Фото: Google

К омпанія заявила про досягнення квантової переваги ще кілька тижнів тому, і повідомила, що їх експеримент «знаменує перше обчислення, яке може бути виконане тільки на квантовому процесорі». Днями в журналі Nature з’явилася наукова стаття з назвою «Квантова перевага, використовуючи програмований надпровідний процесор», в якій детально пояснюється досягнення Google.

Якщо коротко, в матеріалі йдеться, що компанія створила процесор Sycamore — перший програмований квантовий процесор, який може досягати квантового стану 53 кубітів (кубіт — мінімальна одиниця інформації у квантових комп’ютерах, яка може перебувати у декількох станах простору-часу одночасно).

На практиці квантовий комп’ютер Google Sycamore виконав завдання, яке не під силу звичайним комп’ютерам, де в якості мінімальної одиниці інформації використовуються біти, які можуть мати тільки один стан — 0 або 1.

Цим завданням був «доказ випадковості чисел, які створені генератором випадкових чисел». У статті Nature зазначено, що «послідовності випадкових чисел є найбільш підходящими для еталонного тестування (англ. — benchmarking), оскільки у них немає структури». Згідно з результатами дослідження, Sycamore довів випадковість величезної кількості випадково згенерованих чисел всього за три хвилини і 20 секунд.

«Sycamore потрібно близько 200 секунд для вибірки одного примірника квантової схеми мільйон разів. Еквівалентна задача для сучасного класичного суперкомп’ютера займе близько 10 тис. років. Це різке збільшення швидкості в порівнянні з усіма відомими класичними алгоритмами є експериментальною реалізацією квантової переваги», — пишуть автори дослідження.

У Google говорять, що їх квантовий процесор складається з 54 кубітів, пов’язаних в формі прямокутної решітки. Лише один з цих кубітів не працює, і існує тільки для підтримки структури чіпа.

Google
Фото: Google

Технічно комп’ютер створили з алюмінію, індію (дуже м’який метал) і кремнію. Об'єднати ці матеріали вдалося завдяки ефекту Джозефсона — протікання надпровідного струму через два надпровідника. Щоб досягти квантового стану кубітів, процесор охолоджують в спеціальному холодильнику до температури, близької до абсолютного нуля (20 мілікельвінів), що приблизно дорівнює мінус 273 градуса Цельсія.

За допомогою так званих атенюаторів — приладів, які знижують інтенсивність електромагнітних коливань — і додаткових фільтрів суперохолоджений Sycamore під'єднують до звичайної електроніки, яка працює за кімнатної температури, і завдяки цифро-аналоговим перетворювачам може зчитувати інформацію з квантового комп’ютера.

Якщо в дійсності все так, і в Google створили пристрій, який за мить вирішує складні завдання, — компанія вперше в історії досягла квантової переваги і зробила величезний крок назустріч комп’ютерам нового покоління.

Все було б добре, якби конкуренти з IBM не спростували цю інформацію і не заявили, що їх звичайні комп’ютери зараз можуть виконувати такі ж обчислення.

Як відреагували в IBM?

IBM

Фото: IBM

З а пару днів до публікації наукового дослідження про процесор Google Sycamore в журналі Nature, на сайті IBM Research Blog з’явилася стаття, в якій співробітники відділу квантових обчислень IBM розкритикували новий винахід своїх конкурентів і написали, що заяви Google про досягнення квантової переваги не відповідають дійсності.

Четверо співробітників IBM написали, що враховуючи оптимізацію обладнання та зберігання інформації не тільки у оперативній пам’яті пристрою, але і на жорстких дисках, їх суперкомп’ютер Summit зможе провести обчислення, які провів Sycamore, всього за два з половиною дні, а не за 10 тис. років, як про це заявили в Google.

«У нас є достатньо доказів того, що термін „квантова перевага“ неправильно тлумачиться і викликає серйозну плутанину. Ми закликаємо людей з більшою часткою скептицизму розглядати заяви про те, що вперше квантовий комп’ютер перевершив обчислення класичних комп’ютерів через складний характер зіставлення відповідної метрики», — пишуть представники IBM.

Конкуренти Google, які також працюють над ефективним квантовим комп’ютером, нагадали, що квантові технології повинні мати позитивний вплив на суспільство і реалізовувати практичні рішення. Лише у цьому випадку можна говорити про «перевагу» подібних обчислювальних систем.

Дійсно, завдання, яке виконав Sycamore за 200 секунд може бути надзвичайно складним і, припустимо, навіть неможливим для класичних комп’ютерів. Але, в Google пропускають той факт, що вироблені обчислення мають лише технічний характер. В теорії комп’ютер Google міг досягти квантової переваги, оскільки Джон Прескілл, який запропонував цей термін в 2012-му, не поділяв перевагу квантових комп’ютерів над звичайними в рішенні практичних або технічних завдань.

«Квантові комп’ютери не можуть „перевершувати“ класичні тільки на базі одного лабораторного експерименту, який був потрібен, щоб реалізувати одну дуже специфічну процедуру квантової вибірки поза практичним застосуванням. Насправді, квантові комп’ютери ніколи не будуть „панувати“ над класичними комп’ютерами, а покликані працювати в тандемі з ними, оскільки у кожного типу комп’ютерів є свої унікальні переваги», — прокоментував для НВ директор IBM Research Даріо Гіл.

Ця мета, незалежно від поточних заяв, поки не була досягнута

За його словами, квантові технології будуть корисними, коли з’являться квантові обчислювальні системи для надійного і відтвореного виконання реальних квантових алгоритмів і програм. «Тоді ми доберемося до епохи квантової переваги і зможемо використовувати комбіновані квантово-класичні системи для прискорення прогресу в науці і створення комерційної цінності для бізнесу. Ця мета, незалежно від поточних заяв, поки не була досягнута», — каже Гіл.

Таким же чином, представники IBM могли говорити про подолання порога квантової переваги рівно рік тому: 19 жовтня 2018-го в журналі Science опублікували дослідження, авторами якого виступили співробітники IBM та вчені з Університету Ватерлоо і Мюнхенського технічного університету. У матеріалі зазначено, що їх квантовий комп’ютер вирішує складну алгебраїчну формулу, яку не можуть вирішити класичні комп’ютери.

«Наша робота дає безумовний доказ обчислювальної квантової переваги. Запропонований квантовий алгоритм є підходящим кандидатом для експериментальної реалізації в найближчому майбутньому, так як для нього потрібні тільки квантові ланцюги постійної глибини, з'єднані на двовимірній сітці кубітів (квантових бітів)», — писали автори дослідження.

Щоб не плутатися із справжньою і несправжньою квантовою перевагою, за якою ганяються в Google і IBM, варто розглянути суть і призначення квантових комп’ютерів дещо глибше.

Що таке квантові комп’ютери і навіщо вони потрібні?

К онцепт квантового комп’ютера належить американському лауреату Нобелівської премії з фізики Річарда Фейнману, який за кілька років до своєї смерті в 1988-му припустив, що квантові комп’ютери зможуть об'єднати фізичні і хімічні властивості речовини і дозволять набагато швидше масштабувати обсяг обчислень, виконаний класичними комп’ютерами.

У пошуках вирішення цього завдання послідовники Фейнмана прийшли до згаданих вище кубітів — мінімальних одиниць інформації, які можуть перебувати в кількох станах простору-часу одночасно. Очевидно, концепт квантових комп’ютерів переплітається з квантової суперпозицією — перебуванням атомів в декількох станах одночасно за рахунок взаємодії атомів і елементарних неподільних частинок — квантів — в певний умовах.

Як ми вже писали, в класичному комп’ютері мінімальні одиниці інформації - біти — можуть мати тільки два значення — 0 і 1, і навіть найскладніше програмне забезпечення в своїй основі представляж лише дуже довгу послідовність з одиниць і нулів.

Кубіт, в свою чергу, підтримує стани обох значень (0 і 1) одночасно, що дозволяє обробляти набагато більшу кількість інформації і, в теорії, виконувати неможливі для сучасних комп’ютерів завдання. У зрозумілому нам порівнянні, біти в класичному комп’ютері - це монета, яка може показувати або орла або решку. Кубіти — це монети, які постійно обертаються і показують і орла і решкк одночасно.

Крім цього, математична перевагу кубітів перед бітами в тому, що при додаванні однієї одиниці вони подвоюють потужність всієї мікросхеми, а додавання одного біта до іншого практично нічого не змінює і все одно вимагає колосальних обсягів інформації і мікросхем для вирішення складних завдань. Раніше експерти підрахували, що створення квантового комп’ютера потужністю в 300 кубітів буде відповідати класичному комп’ютеру з кількістю бітів, що дорівнює кількості атомів у всесвіті, — приблизно 91-значне число.

Insider.pro
Фото: Insider.pro

Робочі квантові комп’ютери повинні зробити революцію абсолютно у всіх сферах життя. Вважається, що першою сферою їх застосування стане хімія: створивши алгоритм, який дозволить аналізувати неймовірну кількість різних речовин і їх властивостей, квантовий комп’ютер допоможе вченим розробити найміцніші, найлегші, найбезпечніші та найефективніші матеріали.

Завдяки цьому літаки літатимуть набагато довше і швидше, електрокари можна буде заряджати раз на рік, смартфони перетворяться в голограми на лінзах для очей, медики знайдуть ліки від раку, ну а 400 з гаком депутатів замінить невелика мікросхема, яка буде відстоювати політичні інтереси всіх громадян країни.

Правда, є і негативні сторони такого винаходу: так звана квантова змова передбачає, що перший уряд, в руки якого потрапить робочий квантовий комп’ютер зможе зламати існуючі технології шифрування і отримати доступ до всіх електронних систем безпеки будь-якої держави. Згідно з документами, які опублікував колишній співробітник ЦРУ Едвард Сноуден, Національне агентство безпеки США ще у 2013-му виділило близько $80 млн на створення квантового комп’ютера, який зможе обійти більшість типів цифрового захисту.

На цьому тлі пригадується співпраця Google з Пентагоном, під час якого інтернет-корпорація розробляла безпілотну бойову зброю для американської армії, а пізніше була змушена відмовитися від цього проекту через протест своїх же співробітників.

Схоже відбувалося і з IBM на початку нульових, коли компанію звинувачували у сприянні Гітлеру в період Голокосту. У той час американський журналіст Едвін Блек видав книгу, в якій детально описувалася діяльність дочірньої компанії IBM — Watson Business Machines — під час окупації Польщі фашистськими військами. Але це, так би мовити, вже зовсім інша історія, яка стане основою для багатьох теорій змови.

Так хто кого перевершив?

Google

Фото: Google

Н а насправді, не так важливо, хто досягне або вже досяг формальної квантової переваги. Схоже, що як у Google, так і в IBM прийшли до формули надпровідних матеріалів і технологій, які дозволяють підтримувати квантовий стан кубітів при максимально низьких температурах хоча б на деякий час.

Так, за цей час квантові комп’ютери вже зараз можуть виконувати певні завдання, і так, ці завдання можуть бути не під силу звичайним ком’ютерам або навіть хваленому IBM Summint. Але, згадаємо 72-кубітний квантовий комп’ютер Google Bristlecone, який компанія представила в березні 2018-го і який став попередником Sycamore, — техніка виявилося занадто складною, щоб нею можна було управляти і проводити будь-які обчислення.

До того ж, варто врахувати, що всі гучні заяви від Google і IBM з приводу квантової переваги, і своєї переваги один перед одним, засновані тільки на теоретичних розрахунках.

10 тис. років, рівно як і два з половиною дня для «доказу випадковості випадково згенерованих чисел» квантовим або звичайним комп’ютером, про які говорили представники і тієї й іншої компанії, — це лише моделювання процесу, а не реальне його виконання.

Навіть якщо компанії і зможуть це з’ясувати, і виявиться, що їх комп’ютери здатні швидко виконувати складні, але не застосовні в реальному світі обчислення, яка різниця хто з них перших досяг переваги?

Найімовірніше, в історію увійде той, хто за допомогою свого квантового комп’ютера зможе знайти будь-яку екзотичну матерію або вигадати нове паливо для ракетних двигунів. А обрати і виконати найпростішу задачу для своїх, нехай навіть і квантових, пристроїв залишиться прерогативою маркетологів і медійників, які люблять гучні заголовки.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X