Google оголосив, що домігся квантового переваги, а це означає, що побудований квантовий комп'ютер, який виходить за межі класичних обчислень. Усі відчувають, що це важливий крок вперед, але що саме це означає і які можуть бути наслідки, може знадобитися якесь пояснення. Ось чітка відповідь.
Наука десятиліттями чекала першого справжнього квантового комп’ютера, який міг би викликати зсув обчислювальної техніки. Це може принципово змінити усунення несправностей машини, зламати весь код, зруйнувати банки і відповісти на запитання, які ми навіть не задавали, зазначають прогнози. Таким чином, зрозуміло, що наукове життя почало рухатися з оголошенням Google.
Ще у вересні репортери Financial Times "випадково" виявили наукову статтю, написану дослідниками Google, на одному із серверів NASA, яка нарешті потрапила на першу сторінку одного з найпрестижніших наукових журналів "Nature" у жовтні. У статті стверджується, що Google вдалося створити квантовий комп’ютер, який використовував 53 квантових біта для вирішення проблеми приблизно за 3 хвилини, що найшвидшому суперкомп’ютеру знадобиться понад 10 000 років. Таким чином, самі дослідники досягли квантового панування.
Супермен, суперкомп'ютер Будапештського університету технологій та економіки
Хоча квантові комп'ютери вже існують, вони все ще перебувають у зародковому стані. Розглянута квантова зверхність символізувала б посттрадиційну обчислювальну еру. Доступно, коли квантовий комп’ютер вирішує проблему, на яку традиційний комп’ютер не здатний. Кваліфікація квантової верховенства була вільно інтерпретована Google, оскільки це був розрахунок, який можна було вирішити за допомогою класичного комп’ютера, що все ще працює, але його можна вважати безглуздо довгим протягом 10 000 років. Якщо класичному комп’ютеру потрібно стільки часу для розв’язання, ми можемо справедливо сказати, що він практично не здатний це зробити, тобто ми можемо вступити в квантову еру.
Дослідники IBM дуже високо підняли брови перед новиною. Не дивно, що в основі порівняння - суперкомп’ютер, оточений Google Sycamore протягом десяти тисяч років, - це не хто інший, як IBM Summit. Спочатку будівельники останньої розкритикували нездатність Sycamore дотримуватися більш суворого визначення квантового домінування, а потім те, що було великим перебільшенням передбачити 10 000-річний час роботи Саміту: самі дослідники IBM оцінили це і сказали, що проблема полягає в тому, що в їх суперкомп'ютері два з половиною днів. вирішує це, тому є перебільшенням стверджувати, що різниця між хвилинами та днями буде справжньою зміною парадигми. Варто додати, що Summit - це найшвидший суперкомп'ютер у світі, десятки тисяч процесорів займають два футбольних поля і здатні виконувати понад 10 17 операцій в секунду, тому його не обов'язково називати традиційним комп'ютером. Незважаючи на це, факт, що він працює за класичними принципами.
Суперкомп'ютер IBM Summit
Фото: Національна лабораторія Оук-Ридж
Однак найбільш суперечливою частиною оголошення є не час, а те, які проблеми вирішують квантові комп'ютери. Комп’ютери, які в даний час працюють на смартфонах, розумних годинниках або навіть суперкомп’ютерах, надзвичайно універсальні і можуть використовуватися майже для всього. Вони вміють моделювати клімат, обробляти банківські операції, обробляти дані крокоміра або просто малювати динозаврів на полотні. Натомість квантові комп’ютери можуть виконувати лише кілька завдань, лише дуже конкретні розрахунки, за суворо регламентованих умов. Їх універсальна здатність вирішувати проблеми надзвичайно слабка, і вони не можуть обов'язково вирішити, скільки 1 + 1.
Але це теж не їхня робота, оскільки все ще існують універсальні класичні комп’ютери, які надзвичайно добре працюють у вирішенні більшості проблем. Сила квантових комп’ютерів полягає у вирішенні завдань, для яких класичні комп’ютери ніколи не підійдуть. Сюди входять фізичні та хімічні дослідження, фармацевтичне моделювання, аналіз складних фінансових процесів та безліч проблем оптимізації. Саме тому теоретичний фізик Джон Прескотт ввів термін квантова верховенство в 2012 році як уявний рубіж, за яким квантові комп’ютери дійсно можуть виконувати обчислення, яких не можуть класики, відкриваючи абсолютно нові двері в обчислювальній техніці.
Однією з найвідоміших проблем, на яку вриваються зуби класичних комп’ютерів, є “проблема подорожнього агента”: подорожній агент повинен відвідати певну кількість міст, а потім повернутися до вихідної точки. Ви знаєте відстань між усіма містами, ваша мета - подорожувати якомога швидше та дешевше, тож спробуйте підрахувати, який маршрут буде якомога коротшим. Для 4-5 міст це все ще легке завдання, ви можете випробувати можливі комбінації по одному, а потім порівняти їх, щоб знайти найкоротший. Однак навіть у 20 містах існує більше 10 16 можливих маршрутів, які комп’ютери повинні порівнювати індивідуально. За допомогою квантового комп’ютера обчислення можна прискорити на порядки - особливо якщо доводиться враховувати більше розрахунків, - які класичні машини не можуть виконати в найближчому майбутньому.
Фото: Google AI Quantum
Секрет квантового комп’ютера полягає в тому, що вони працюють не з бітами - це найосновніші будівельні блоки обчислень - а з квантовими бітами, кубітами (або ліктями), які мають абсолютно різні фізичні властивості.
Звичайні біти - це в основному крихітні двопозиційні перемикачі: вгору або вниз, є струм або його немає, 1 або 0. Комп’ютери вражають мільярди і мільярди крихітних вимикачів дивовижними темпами, тому вони роблять розрахунки.
Кубіти, навпаки, підштовхують основне правило перемикання, що щось вмикається або вимикається. У мікроскопічному світі частинки також мають квантові властивості, одна з яких полягає в тому, що система може перебувати одночасно в двох станах, але в основному одночасно в їх суміші, тобто перемикач може бути вгору ** і * * вимкнено одночасно: це суперпозиція, яка жива і мертва одночасно, залежно від того, спостерігає чийсь стан.
Фото: Pixabay/geralt
Кубіт може приймати безліч інших значень між станами увімкнення та вимкнення, з різною ймовірністю, щодо якої це може бути. Окрім світу експертів у цій галузі, це здається досить невловимим, суть у нашому випадку полягає в тому, що їх все ще можна використовувати для логічних операцій. Іншим наріжним каменем квантових обчислень є заплутаність: два квантово-механічні стани можуть переплітатися таким чином, що їхні стани залежать один від одного - причому, незалежно від того, наскільки вони віддалені.
Використовуючи суперпозицію та квантове переплетення, кубіти теоретично збільшують обчислювальну потужність експоненціально з кожним доданим кубітом, при цьому 53 кубіти конкурують з двома класичними суперкомп’ютерами з футбольним полем (для цього одного конкретного завдання), але якщо Google будує 60-кубітову систему в майбутньому, вже 33 Summital би змагався.
Але навіть складання 53 кубітів було майже надлюдським завданням. Система працює повністю закрита для світла, у вакуумі, при температурі, холоднішій від космосу, в міліцельвіні, тобто в камері нижче -273 градусів Цельсія, і навіть на короткий час. Це пояснюється тим, що кубіти "порушуються" навіть найменшим стимулом із зовнішнього світу і перекидаються назад до класичного біта, тобто "формату", в якому замість 0 і 1 можна записати лише 0 або 1 стан.
Покручена кулька прогресу обчислень полягає в тому, що класичні комп’ютери з часом забирали все менше місця, але вже заграють з мікроскопічними розмірами. Таким чином, ми повільно досягаємо фізичної межі: транзистори вже не можна довго зменшувати, оскільки в цьому діапазоні розмірів починають з'являтися квантово-фізичні явища, які саботують роботу класичних комп'ютерів, на яких базуються квантові обчислення.
Один з кандидатів у президенти США, Ендрю Ян, після оголошення Google, зловісно заявив, що настала квантова ера, більше немає незламних кодів. Хоча поточний найпоширеніший процес шифрування, який також захищає банківські операції, наприклад, справді може бути зламаний за допомогою квантових комп’ютерів, теоретично нам не потрібно цього боятися, він все ще недосяжний. Результати Google вражають, але не слід вважати, що все навколо нас може змінитися з завтрашнього дня. Тому термін квантова верховенство дещо вводить в оману:
перемога не квантових комп’ютерів над класикою, а наших, проти нас самих, оскільки незабаром ми отримаємо абсолютно новий інструмент для вирішення проблем, які досі були неможливі.
Якщо ви хочете бути в курсі подій, сподобайтеся сторінці Facebook у розділі HVG Tech.