Квантавы працэсар: апісанне, прынцып працы

Аб квантавых вылічэннях, па меншай меры ў тэорыі, гавораць ужо некалькі дзесяцігоддзяў. Сучасныя тыпы машын, якія выкарыстоўваюць некласічнага механіку для апрацоўкі патэнцыйна неймаверных аб'ёмаў дадзеных, сталі вялікім прарывам. На думку распрацоўшчыкаў, іх рэалізацыя апынулася, бадай, самай складанай тэхналогіяй з калі-небудзь створаных. Квантавыя працэсары працуюць на узроўнях матэрыі, пра якія чалавецтва даведалася ўсяго 100 гадоў таму. Патэнцыял такіх вылічэнняў велізарны. Выкарыстанне мудрагелістых уласцівасцяў квантаў дазволіць паскорыць разлікі, таму многія задачы, якія ў цяперашні час класічным кампутараў не па сілах, будуць вырашаны. І не толькі ў галіне хіміі і матэрыялазнаўства. Уол-стрыт таксама праяўляе зацікаўленасць.

Інвестыцыі ў будучыню

CME Group праінвеставала ванкуверскую кампанію 1QB Information Technologies Inc., якая распрацоўвае праграмнае забеспячэнне для працэсараў квантавага тыпу. На думку інвестараў, такія вылічэнні, верагодна, акажуць найбольшы ўплыў на галіны, якія працуюць з вялікімі аб'ёмамі адчувальных да часу дадзеных. Прыкладам такіх спажыўцоў з'яўляюцца фінансавыя ўстановы. Goldman Sachs інвеставаў у D-Wave Systems, а кампанія In-Q-Tel фінансуецца ЦРУ. Першая вырабляе машыны, якія робяць тое, што называецца «квантавым адпалам», т. Е. Вырашае нізкаўзроўневыя задачы аптымізацыі з дапамогай квантавага працэсара. Intel таксама займаецца інвеставаннем у дадзеную тэхналогію, хоць лічыць яе рэалізацыю справай будучыні.

Навошта гэта трэба?

Прычына, па якой квантавыя вылічэнні з'яўляюцца гэтак захапляльнымі, крыецца ў іх ідэальным спалучэнні з машынным навучаннем. У цяперашні час гэта асноўнае прыкладанне для падобных разлікаў. Збольшага гэта следства самой ідэі квантавага кампутара - выкарыстанне фізічнай прылады для пошуку рашэнняў. Часам дадзеную канцэпцыю тлумачаць на прыкладзе гульні Angry Birds. Для імітацыі гравітацыі і ўзаемадзеяння сутыкаюцца аб'ектаў ЦПУ планшэта выкарыстоўвае матэматычныя ўраўненні. Квантавыя працэсары ставяць такі падыход з ног на галаву. Яны «кідаюць» некалькі птушак і глядзяць, што адбываецца. У мікрачып запісваецца задача: гэта птушкі, іх кідаюць, якая аптымальная траекторыя? Затым правяраюцца ўсе магчымыя рашэнні або, па меншай меры, вельмі вялікае іх спалучэнне, і выдаецца адказ. У квантавым кампутары задачы вырашае ня матэматык, замест яго працуюць законы фізікі.

Як гэта функцыянуе?

Асноўныя будаўнічыя блокі нашага свету - квантава-механічныя. Калі паглядзець на малекулы, то прычына, па якой яны ўтвараюцца і застаюцца стабільнымі - узаемадзеянне іх электронных арбіталей. Усе квантава-механічныя разлікі ўтрымліваюцца ў кожнай з іх. Іх колькасць расце экспанентна росту колькасці мадэляваных электронаў. Напрыклад, для 50 электронаў існуе 2 у 50-й ступені магчымых варыянтаў. Гэта фенаменальна вялікая колькасць, таму разлічыць яго сёння нельга. Падключэнне тэорыі інфармацыі да фізікі можа паказаць шлях да вырашэння такіх задач. 50-кубитовному кампутара гэта па сілах.

Зара новай эры

Згодна з Лэндон Даунс, прэзідэнту і сузаснавальніку кампаніі 1QBit, квантавы працэсар - гэта магчымасць выкарыстоўваць вылічальныя магутнасці субатомных свету, што мае вялікае значэнне для атрымання новых матэрыялаў або стварэння новых лекаў. Адбываецца пераход ад парадыгмы адкрыццяў да новай эры дызайну. Напрыклад, квантавыя вылічэнні можна выкарыстоўваць для мадэлявання каталізатараў, якія дазваляюць здабываць вуглярод і азот з атмасферы, і тым самым дапамагчы спыніць глабальнае пацяпленне.

На перадавой прагрэсу

Супольнасць распрацоўнікаў дадзенай тэхналогіі надзвычай усхвалявана і занята актыўнай дзейнасцю. Каманды па ўсім свеце ў стартапа, карпарацыях, універсітэтах і ўрадавых лабараторыях навыперадкі будуюць машыны, у якіх выкарыстоўваюцца розныя падыходы да апрацоўкі квантавай інфармацыі. Створаны звышправодныя кубитовые чыпы і кубиты на захопленых ионах, якімі займаюцца даследчыкі з Універсітэта штата Мэрыленд і Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій ЗША. Microsoft распрацоўвае тапалагічная падыход пад назвай Station Q, мэтай якога з'яўляецца прымяненне неабелева аніёны, існаванне якога яшчэ канчаткова не даказана.

Год верагоднага прарыву

І гэта толькі пачатак. Па стане на канец мая 2017 г. колькасць працэсараў квантавага тыпу, якія адназначна робяць нешта хутчэй або лепш, чым класічны кампутар, роўна нулю. Такая падзея ўсталюе «квантавы перавагу», але пакуль яно не адбылося. Хоць верагодна, што гэта можа адбыцца яшчэ ў гэтым годзе. Большасць інсайдэраў кажа, што відавочным фаварытам з'яўляецца група Google на чале з прафесарам фізікі Каліфарнійскага універсітэта ў Санта-Барбары Джонам Марціні. Яе мэта - дасягненне вылічальнага перавагі з дапамогай 49-кубитного працэсара. Да канца траўня 2017 г. каманда паспяхова тэставала 22-кубитный чып у якасці прамежкавага кроку да разборкі класічнага суперкамп'ютэра.

З чаго ўсё пачалося?

Ідэі выкарыстання квантавай механікі для апрацоўкі інфармацыі ўжо дзесяткі гадоў. Адно з ключавых падзей адбылося ў 1981 годзе, калі IBM і MIT сумесна арганізавалі канферэнцыю па фізіцы вылічэнняў. Знакаміты фізік Рычард Фейнман прапанаваў пабудаваць квантавы кампутар. Паводле яго слоў, для мадэлявання варта скарыстацца сродкамі квантавай механікі. І гэта выдатная задача, паколькі не выглядае такой простай. У квантавага працэсара прынцып дзеяння заснаваны на некалькіх дзіўных уласцівасцях атамаў - суперпазіцыі і заблытанасць. Часціца можа знаходзіцца ў двух станах адначасова. Аднак пры вымярэнні яна апынецца толькі ў адным з іх. І немагчыма прадбачыць, у якім, акрамя як з пазіцыі тэорыі верагоднасці. Гэты эфект ляжыць у аснове разумовага эксперыменту з катом Шредингера, які знаходзіцца ў скрынцы адначасова жывым і мёртвым да таго часу, пакуль назіральнік крадком туды не завітае. Нішто ў паўсядзённым жыцці не працуе падобным чынам. Тым не менш, каля 1 млн эксперыментаў, праведзеных з пачатку ХХ стагоддзя, паказваюць, што суперпазіцыя сапраўды існуе. І наступным крокам будзе высвятленне таго, як выкарыстоўваць гэтую канцэпцыю.

Квантавы працэсар: апісанне працы

Класічныя біты могуць прымаць значэнне 0 або 1. Калі прапусціць іх радок праз «лагічныя вентылі» (І, АБО, НЕ і т. Д.), То можна памнажаць колькасці, маляваць малюнкі і т. П. Кубит ж можа прымаць значэння 0, 1 або абодва адначасова. Калі, скажам, 2 кубита заблытаныя, то гэта робіць іх зусім карэляваць. Працэсар квантавага тыпу можа выкарыстоўваць лагічныя вентылі. Т. н. вентыль Адамара, напрыклад, змяшчае кубит ў стан дасканалай суперпазіцыі. Калі суперпазіцыю і заблытанасць сумясціць з разумна размешчанымі квантавымі вентылямі, то пачынае раскрывацца патэнцыял субатомных вылічэнняў. 2 кубита дазваляюць даследаваць 4 стану: 00, 01, 10 і 11. Прынцып працы квантавага працэсара такі, што выкананне лагічнай аперацыі дае магчымасць працаваць з усімі палажэннямі адразу. І лік даступных станаў роўна 2 у ступені колькасці кубитов. Так што, калі зрабіць 50-кубитный універсальны квантавы кампутар, то тэарэтычна можна даследаваць усе 1,125 квадрыльёна камбінацый адначасова.

Кудиты

Квантавы працэсар у Расіі бачаць некалькі інакш. Навукоўцы з МФТІ і Расійскага квантавага цэнтра стварылі «кудиты», якія ўяўляюць сабой некалькі «віртуальных» кубитов з рознымі «энэргетычнымі» ўзроўнямі.

амплітуды

Працэсар квантавага тыпу валодае тым перавагай, што квантавая механіка грунтуецца на амплітуды. Амплітуды падобныя да верагоднасці, але яны таксама могуць быць адмоўнымі і комплекснымі лікамі. Так што, калі неабходна разлічыць верагоднасць падзеі, можна скласці амплітуды разнастайных варыянтаў іх развіцця. Ідэя квантавых вылічэнняў заключаецца ў спробе налады інтэрферэнцыйнай карціны такім чынам, каб некаторыя шляху да няправільным адказам мелі станоўчую амплітуду, а некаторыя - адмоўную, і таму яны б кампенсавалі адзін аднаго. А шляху, вядучыя да правільнага адказу, мелі б амплітуды, якія знаходзяцца ў фазе адзін з адным. Хітрасць у тым, што неабходна ўсё арганізаваць, не ведаючы загадзя, які адказ правільны. Так што экспанентны квантавых станаў ў спалучэнні з патэнцыялам інтэрферэнцыі паміж станоўчымі і адмоўнымі амплітуда з'яўляецца перавагай вылічэнняў дадзенага тыпу.

алгарытм Шора

Ёсць шмат задач, якія кампутар не ў стане вырашыць. Напрыклад, шыфраванне. Праблема заключаецца ў тым, што не так лёгка знайсці простыя множнікі 200-значнага ліку. Нават калі наўтбук працуе з выдатным ПА, то, магчыма, прыйдзецца чакаць гады, каб знайсці адказ. Таму яшчэ адной вяхой у квантавых вылічэннях стаў алгарытм, апублікаваны ў 1994 г. Пітэрам Шором, цяпер прафесарам матэматыкі ў MIT. Яго метад заключаецца ў пошуку множнікаў вялікага ліку з дапамогай квантавага кампутара, якога тады яшчэ не існавала. Па сутнасці, алгарытм выконвае аперацыі, якія паказваюць на вобласці з правільным адказам. У наступным годзе Шор адкрыў спосаб квантавай карэкцыі памылак. Тады многія зразумелі, што гэта - альтэрнатыўны спосаб вылічэнняў, які ў некаторых выпадках можа быць больш магутным. Тады рушыў услед ўсплёск цікавасці з боку фізікаў да стварэння кубитов і лагічных вентыляў паміж імі. І вось, два дзесяцігоддзі праз, чалавецтва стаіць на парозе стварэння паўнавартаснага квантавага кампутара.