Во время Consumer Electronic Show недавно прошедшем в Лас-Вегасе IBM продемонстрировала полностью интегрированный квантовый компьютер. Пресса приветствовала его как первый в своем роде рекламный ролик, но реальность немного менее красочна. Q System One – это не прорыв, а скорее символ. Машину нельзя купить. Благодаря работе ученых и дизайнеров, он впервые может быть выведен из стерильных стен лабораторий.
Пока что все квантовые компьютеры IBM, а компания построила их несколько, работали только в стерильных лабораториях. Это не беспокоит ученых, так как они могут проводить свои эксперименты и в таких условиях, проверять созданные алгоритмы. Весь процесс программирования происходит на бесплатной платформе IBM Q Experience, которая использует 5-й и 16-й квантовые компьютеры в мире. На данный момент 97 000 пользователей провели более 6 миллионов экспериментов.
Почему Q System One важна?
20-кубитная System One – это маленький шаг в развитии квантовых компьютеров, который никоим образом не продвигает саму технологию или наши знания о том, как ее использовать. Но это не значит, что это не имеет значения.
То, что IBM показала на выставке, является шедевром инженерии и дизайна. До сих пор квантовым компьютерам, состоящим из тысяч компонентов, требовалась стерильная среда для работы. Она необходима кубитам, которые, с одной стороны, являются мощными в вычислительном отношении, с другой очень чувствительны с физической стороны. Электромагнитное поле, температурные колебания (кубиты сохраняются при температуре, близкой к абсолютному нулю), являются одними из факторов, которые приводят к тому, что даже самые лучшие системы теряют свои квантовые свойства уже через 100 микросекунд. Чтобы свести к минимуму влияние окружающей среды и отдельных компьютерных компонентов друг на друга, их нужно было разбросать по большому лабораторному пространству. Такой компьютер также требовал, чтобы команда людей следила за его работой. Если вы видели, как выглядели первые компьютеры, тогда эту картину можно сравнить с тем, что происходит в лаборатории IBM. Квантовый компьютер работает, но попробуйте придумать идею перенести его в другое место.
Такое положение вещей меняет Q System One. Квантовый компьютер IBM Q был переработан таким образом, чтобы вместо того, чтобы занимать всю комнату, он может поместиться на гораздо меньшей площади и может размещается рядом с другими системами в центре обработки данных.
В то же время IBM решила создать нечто, что не только технологически продвинутое, но и с фантастическим внешним видом 21-го века. И необходимо признать, что американцы преуспели в этом.
Внешний вид нового компьютера IBM был разработан в том же стиле, что и суперкомпьютер Cray 1 и окружающие его удобные кресла. Футуристическая форма Q System One в форме прозрачного куба шириной и высотой 2,75 метра была разработана лондонской студией дизайна Map Project Office (известной благодаря сотрудничеству с Honda) и дизайнерами интерьеров из Universal Design Studio. Корпус из боросиликатного стекла толщиной в полдюйма был изготовлен итальянской компанией Goppion, которая построила защитные конструкции для Моны Лизы и королевских драгоценностей Великобритании. Однако, в случае квантового компьютера речь шла не о защите от воров, а о создании герметичного корпуса, который должен поддерживать постоянную температуру. Это сложная задача, потому что квантовый компьютер (спрятанный в цилиндрическом криостате) должен сохраняться при температуре чуть выше абсолютного нуля – это холоднее, чем в космосе.
Команда конструкторов также должна была справиться с гораздо более плотной упаковкой всех компонентов машины, вибрацией и со всем, что может повлиять на стабильность в его работе. В результате System One может автоматически калибровать, обеспечивая повторяемое и предсказуемое качество кубита. Эти функции в сочетании с упрощенным процессом обслуживания и модернизацией системы, сокращающим время простоя, являются шагом к созданию коммерческих квантовых компьютеров. Сама система One еще не так совершенна, поэтому ее еще нельзя купить. Ее преимущества перед другими квантовыми компьютерами заключается не в том, чтобы было больше кубитов, а в их качестве. IBM сначала хочет сосредоточиться на минимизации количества ошибок и общей надежности системы, и только потом думать о повышении ее вычислительной мощности.
Наряду с запуском компьютера дебютировал вычислительный центр IBM Q Quantum, который приглашает все заинтересованные компании и учреждения присоединиться к коммерческому проекту IBM Q Network. За его спиной находится сообщество компаний, входящих в список Fortune 500, академических учреждений, стартапов и исследовательских лабораторий, сотрудничающих с IBM, которые должны стать началом коммерческого использования квантовых вычислений. Среди более 100 000 партнеров, которые уже присоединились к сети – CERN, Fermilab, Argonne National Laboratory и Lawrence Berkeley National Laboratory или ExxonMobil.
Почему кубиты важны?
Основой работы классических компьютеров является бит, который может принимать два состояния: «один» или «ноль» – «истина» или «ложь». Квантовый компьютер использует квантовые биты, то есть кубиты. Они также могут принимать состояния, такие как «ноль» или «один», но они также могут принимать оба состояния одновременно. Кубит может находиться в суперпозиции, то есть пропорциональной смеси «бытия» в состоянии «ноль» и «один».
Очень важно: если один кубит в суперпозиции может оставаться в двух состояниях одновременно, то у двух кубитов, например, будет уже четыре, 5 кубитов – 32. Это не конец, потому что кубиты зависят друг от друга, их состояния связаны. Это означает, что вы не можете описать состояние одного кубита изолированно от другого. Имея информацию об одном из них, мы знаем, чего ожидать от других.
Квантовые состояния имеют фазу и могут мешать друг другу. Это третий после суперпозиции и связывания элемент, описывающий кубиты. Квантовые помехи следует понимать так же, как и известные волновые помехи: когда две волны имеют согласованные фазы, их амплитуды складываются, и когда верно обратное, амплитуды взаимно компенсируют друг друга. Классические биты обрабатываются и программируются один за другим. При большой сложности расчетов это отнимает много времени. Благодаря суперпозиции и остальным особенностям кубита, в квантовом компьютере входные данные могут быть сохранены сразу. Вы также можете прочитать все возможные решения одновременно. Единственная проблема заключается в том, что для их считывания требуется много измерений, поскольку конечным результатом является их усреднение. Когда в будущем мы сможем построить достаточно мощный компьютер, состоящий из множества полезных кубитов с наименьшим количеством ошибок, вы сможете моделировать и решать чрезвычайно сложные задачи.
До настоящего времени было разработано всего несколько алгоритмов, в которых квантовый компьютер имел бы явное преимущество перед традиционным. Известно, что кубиты будут очень хорошо разбивать целые числа на факторы (квантовый алгоритм Питера Шора). Вычислительная сложность этого процесса все еще чрезвычайно трудоемка, даже для современных суперкомпьютеров, и поэтому используется для шифрования данных.
В 2010 году было объявлено, что самый большой 768-битный ключ RSA был сломан (сегодня 1024- или 4096-битные ключи используются по умолчанию). Весь процесс занял у ученых около двух лет и потребовал много компьютеров, соединенных вместе. Если бы им пришлось использовать один из них, то весь процесс должен был бы длиться около 2000 лет. Такое положение вещей может изменить квантовый компьютер.
Кубиты и их квантовая природа будут лучше подходить для описания физических явлений, реакций или химических соединений, которые сами имеют квантовую природу. Исследователи в их использовании видят большой потенциал, который приведет к открытию новых материалов и лекарств. Первые успехи – это квантовое моделирование очень простых молекул гидрида лития (LiH) и гидрида бериллия (BeH 2), разработанных IBM Research с использованием компьютера на 7 qit.
На данный момент небольшие и все еще неточные квантовые компьютеры не имеют впечатляющих приложений. Они не помогают в прогнозировании погоды, они не предвидят тенденции фондового рынка. Они перестали быть безумной мечтой физиков, но они стали кошмаром инженеров (после Исаака Чуанга, Массачусетский технологический институт). Для них больше не является проблемой построить компьютер, работающий на большем количестве кубитов. Проблема состоит в том, чтобы создать такие квантовые биты, которые дадут приемлемый уровень ошибки. Исследователи из IBM считают, что прежде чем квантовые компьютеры будут иметь преимущество перед традиционными, вероятно, потребуется 3-5 лет. Одно можно сказать наверняка: квантовые компьютеры решат определённый класс проблем, но они не заменят классические «битовые» компьютеры. Даже там, где потребуется высочайшая вычислительная мощность, через несколько десятков лет мы встретим гибридные решения, которые объединят новые и старые компьютеры с алгоритмами глубокого обучения. И 20-qit Q System One – это всего лишь маленький шаг, который однажды решит проблемы, считающиеся в настоящее время слишком сложными.
На видео: CES 2019 – Квантовый компьютер IBM Q system
