Оглавление
Квантовые стартапы
Рост потока квантовых вычислений вызвал волну интереса инвесторов к связанным стартапам. По оценкам Роберта Сютора из IBM, в мире существует около 100 стартапов в области квантового программного обеспечения, аппаратного обеспечения и даже консалтинга. Это мало по сравнению с огромным рынком стартапов, но гораздо больше, чем раньше.
«Я в этой сфере очень долго, с самого начала, — заявил Монро из IonQ
— Долгое время она находилась в зачаточном состоянии, пока 5-8 лет назад не обратила на себя внимание, и привлекла огромные инвестиции. Стало понятно, что время пришло»
Крис Монро, генеральный директор и соучредитель стартапа квантовых вычислений IonQ. Фото: IonQ
Некоторые, как Rigetti, готовы сражаться на равных с техническими титанами, располая собственными квантовыми чипами и искусными системами квантовых вычислений.
«Это основа нашего бизнеса», — сообщила Business Insider Бетси Масиелло, вице-президент по продуктам в Rigetti. — В квантовом пространстве существует множество компаний, которые работают над программными приложениями в области квантовых вычислений. Мы производим микросхемы и строим вычислительные системы».
Мэтью Кинселла, управляющий директор Maverick Ventures, говорит, что он настроен оптимистично относительно области квантовых вычислений. Его компания зашла так далеко, что инвестировала в ColdQuanta, компанию, которая производит оборудование, применяемое в квантовых системах. Он ожидает, что через пять-десять лет квантовые компьютеры превзойдут сегодняшние системы. Maverick Ventures сделал ставку на долгосрочную перспективу.
“Я действительно верю в квантовые вычисления, хотя это может занять больше времени, чем ожидалось, прежде чем квантовый компьютер станет лучше, чем традиционный компьютер для решении повседневных задач. Скорее всего в ближайшие несколько лет мы будем получать преимуществах квантовых компьютеров в решении задач малого масштаба”, — сказал Кинселла.
D-Wave’s 2000Q Systems лаборатории. Фото: D-Wave
Кинселла, как и аналитики, с которыми мы говорили, в ожидании так называемой «квантовой зимы». Вокруг квантовых компьютеров может быть ажиотаж, но люди обнадеживают сами себя, предупреждают эксперты. Машины еще не совершенны, и пройдут годы, прежде чем инвесторы увидят результаты.
Квантовый компьютер 2019. Google представила новый квантовый процессор
Корпорация Google представила 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone. С помощью этого процессора подразделение Google Quantum AI lab, ответственное за разработку квантового компьютера, будет тестировать системные ошибки и масштабируемость технологии, а также области применения квантовой симуляции, оптимизации и машинного обучения «для решения проблем реального мира», как пишет компания в блоге .Новый 72-кубитный квантовый процессор Google Bristlecone построен по принципу, который позволил в предыдущем 9-кубитном процессоре показать низкую частоту ошибок при считывании данных (1%), при работе однокубитного вентиля — 0,1% и при работе двухкубитного вентиля — 0,6%, что, как отмечает Google, было лучшим результатом компании
Перед применением нового процессора в работе важно понять его возможности: команда создала инструмент, проверяющий его на ошибки, с помощью решения идентичных задач на квантовом процессоре и в классической симуляции. При низком количестве ошибок может быть достигнуто «квантовое превосходство».Прогноз Google: зависимость количества ошибок от количества кубитов в процессореКвантовые компьютеры используют квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для передачи и обработки данных
Одной из главных задач квантовых компьютеров станет усиление искусственного интеллекта . Кубиты квантового процессора — это квантовые аналоги битов. Два расположенных рядом кубита имеют четыре состояния — оба вкл, оба выкл, вкл/выкл и выкл/вкл, каждый из них имеет вес или «амплитуду», которая способна играть роль нейрона; третий кубит в такой системе позволяет представить восемь нейронов, а четвёртый — шестнадцать. Изменение состояния четырёх кубитов приводит к обработке шестнадцати нейронов за один раз, в то время как классический компьютер обрабатывал бы эти числа по одному.Одной из проблем при работе квантового компьютера является количество ошибок, которые возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты. В июне 2016 года исследователи из Google построили процессор из 9 кубитов, который показал высокую надёжность. Эту разработку они смогли масштабировать к марту 2018 года, увеличив количество кубитов до 72. В процессоре кубиты расположены в два слоя 6×6 друг над другом. Подразделение Google Quantum AI lab тестирует разработку.Квантовый процессор Bristlecone состоит из 72 кубитов, изображённых на схеме (справа) в форме «X», где точки соприкосновения концов символа отображает связь кубита с ближайшими «соседями»На данный момент квантовыми компьютерами занимаются ряд исследовательских команд, в том числе — IBM. В марте 2017 года компания объявила о запуске проекта IBM Q, и к июню представила два процессора: 16-кубитный для работы в научной сфере и 17-кубитный для коммерческого использования. В 2017 году IBM Research разработала 49-кубитный процессор.В июле 2017 года команда российских и американских учёных из Гарвардского университета, возглавляемая сооснователем Российского квантового центра (РКЦ) Михаилом Лукиным, сообщила о создании 51-кубитного квантового компьютера.В России в марте 2018 года между Внешэкономбанком, компанией «ВЭБ Инновации», Фондом перспективных исследований (ФПИ), МГУ имени Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» было подписано соглашение о разработке 50-кубитного квантового компьютера.
Quipper
Язык был создан коллективом авторов под руководством Питера Селингера. Quipper предназначен для тех же задач программирования, что и QCL, но имеет другую структуру и внешний вид. Язык реализован как расширение Haskell, которое использует функциональный, а не императивный способ выражения.
Рассмотрим классическую квантовую телепортацию. Она включает в себя две стороны — Алису и Боба. Целью Алисы является телепортация кубита q к Бобу. У Алисы и Боба должен быть доступ к кубитам из запутанной пары (a, b). Мы можем думать о роли Алисы в терминах функции, которая вводит два кубита q и a. На выходе функции будет пара классических бит, созданных Алисой:
Более подробно можно познакомиться в документе «An Introduction to Quantum Programming in Quipper».
А вот интересный пример возведения в 17 степень, путем возведения x в 16 степень встроенной процедурой возведения в квадрат и перемножением x и x^16:
Система Quipper — это компилятор, а не интерпретатор; он переводит полную программу за один раз, а не выполняет инструкции друг за другом. Выход компилятора состоит из квантовых схем: сетей взаимосвязанных, обратимых логических вентилей. Схема может иметь форму электрической схемы, но также представляет собой последовательность инструкций, готовых к выполнению с помощью подходящего квантового оборудования или симулятора.
Quipper, как и QCL, автоматически генерирует схемы из высокоуровневых исходных смысловых конструкций.
2020
Анонс квантового компьютера Honeywell System H1
В конце октября 2020 года Honeywell представила квантовый компьютер System H1, который имеет 10 кубитов. По сообщению американской компании, система обеспечивает удвоенную производительность за счет квантового объема, увеличенного до 128. Подробнее здесь.
Начало использования квантового компьютера Honeywell
В июне 2020 года Honeywell сообщила о запуске, как утверждает компания, самого мощного квантового компьютера в истории. Систему уже начали использовать несколько клиентов, среди которых — банк JP Morgan Chase.
Как рассказал изданию ZDNet, президент подразделения Quantum Solutions Тони Аттли (Tony Uttley), квантовая машина применяется в задачах, выполнять которые на традиционных компьютерах очень сложно.
Honeywell представила самый мощный квантовый компьютер в истории
Ядро системы Honeywell представляет собой стальную сферу размерами с баскетбольный мяч, охлаждённую до температуры чуть выше абсолютного нуля (–262,7 °C). Внутри сферы находятся ловушки ионов, каждая из которых имеет размер с монету 25 центов США (24,3 мм). Ион играет роль кубита, а управляется он лазером, который направлен на ловушку заряда извне сферы через небольшое стеклянное окошко. По сути кубит плюс лазер ― это аналог транзистора в классическом понимании.
В своём сообщении Honeywell упоминает термин «квантовый объем» — параметр, который характеризует не разрядность компьютера, вызывающую аналогии с обычными вычислительными системами, а производительность. Дело в том, что на работу квантового компьютера влияет множество факторов, которые отрицательно влияют на производительность. В частности, это частота ошибок вычисления и степень подключенности кубита, которая выражает связь между возможностями квантового оборудования и способностью системы распределять рабочие нагрузки.
Квантовый компьютер Honeywell создавался на охраняемом объекте площадью 140 кв. м в городе Боулдер, штат Колорадо. Основу самого мощного квантового компьютера в истории составляет стальная камера размером с баскетбольный мяч. С помощью жидкого гелия она охлаждается до близкой к абсолютному нулю температуры, при которой атомы перестают двигаться. Для проведения квантовых вычислений атомами, находящимися внутри стальной камеры, управляют с помощью импульсов лазерного света.
Honeywell выходит на рынок квантовых компьютеров
В начале марта 2020 года Honeywell International объявила, что присоединяется к гонке по созданию квантового компьютера. Компания готовится к выпуску самой мощной системы в мире.
Производитель промышленного оборудования для аэрокосмического сектора утверждает, что его квантовый компьютер удвоит производительность самой мощной из существующих сегодня квантовых машин. Новая система будет обладать производительностью 64 кубита, в то время как самый быстрый квантовый компьютер, созданный IBM, имеет показатель в 32 кубита.
Honeywell International объявила, что присоединяется к гонке по созданию квантового компьютера
Honeywell добилась подобного результата, используя новую архитектуру с захваченными ионами. В квантовом компьютере с запертыми ионами кубиты заряжены атомными частицами, подвешенными в вакуумной камере, и вычисления выполняются путем манипулирования этими частицами с помощью лазеров. В частности, в качестве кубитов используются ионы иттербия-171 (171Yb+) а чтобы отводить от них избыточную энергию, применяются ионы бария-138 (138Ba+).
По словам компании, подход с использованием ловушек-ионов делает кубиты системы более долговечными, чем в системах, разработанных IBM и . Это означает, что они могут выполнять вычисления с меньшим временем простоя, что повышает общую скорость обработки. Кубиты также могут взаимодействовать таким образом, чтобы ускорить квантовые алгоритмы.
Кроме того, Honeywell утверждает, что система с ловушками-ионами легко масштабируема. По словам инженеров, объем производства машин будет расти в 10 раз ежегодно, что к 2025 году обеспечит прирост производительности в 100 000 раз.
Honeywell отметила, что над созданием нового компьютера работает более сотни специалистов. Кроме того, венчурный фонд Honeywell Ventures уже вложил деньги в стартапы Cambridge Quantum Computing и Zapata Computing, занятые разработкой программ для квантовых компьютеров.
Сомнения
Существует два основных типа проблем с извлечением базового состояния из кубита. Во-первых, вы измеряете квантовую суперпозицию, а не классическую величину. Предполагая, что кубит остался когерентным, вы получите одно или другое из базовых состояний, но вы не можете заранее быть уверены какое именно из них вы получите: вы можете быть уверены только в том, что вероятность того, что вы получите определенное состояние, будет квадратом (модуля – добавлено переводчиком) коэффициента этого состояния в суперпозиции. Если вы измеряете кубит в точно таком же состоянии сто раз, вы получите распределение нулей и единиц, которое сходится к квадратам (модулей) коэффициентов.
Таким образом, вы не знаете, действительно ли то базовое состояние, которое вы измерили в некоторой попытке, имеет наибольшую вероятность. После того, как вы считали квантовый выходной регистр, измерив биты, тем самым установив их все в базовые состояния – у вас есть три варианта. Вы можете усомниться, что у вас есть правильный ответ и продолжить дальше. Вы можете проверить традиционными вычислениями, как это делает алгоритм Шора, чтобы узнать, действительно ли число, которое вы считали, является правильным решением. Или же, вы можете повторить вычисление большое количество раз, последовательно или параллельно, и взять наиболее часто встречающийся результат. Также можно организовать свои вычисления таким образом, чтобы ответом было распределение вероятностей базовых состояний, а не конкретное двоичное число. В этом случае также необходимо повторение..
Это верно даже для теоретически совершенного квантового компьютера. Но в действительной реализации есть еще одна проблема: старый добрый классический шум. Даже если все идет хорошо, нет декогеренции кубитов, и вычисление предназначено для получения ответа с очень высокой вероятностью, вы все еще наблюдаете за кубитами, пытаясь измерить очень и очень маленькие физические величины. Шум все равно присутствует. Опять же, единственным решением является либо обнаружение ошибки путем дальнейших вычислений, либо выполнение вычислений столько раз, что вы готовы принять любую оставшуюся в результате этого неопределенность. Концепция гарантированного правильного ответа чужда самой сути квантовых вычислений.
Если все это не рисует розовую картину будущего квантовых вычислений, то к этому следует отнестись очень серьезно. Идут поиски наилучшего выбора для реализации кубитов, хотя ответ может оказаться зависящим от алгоритма. Специалисты по микроэлектронике работают над миниатюризацией квантовых компонентов на основе новых материалов и структур, которые позволили бы создавать очень большие массивы квантовых вычислительных устройств, и которые могли бы массово производиться подобно чипам традиционных процессоров. Компьютерные специалисты разрабатывают прототипы ассемблеров и компиляторов, которые могут преобразовать алгоритм в расположение квантовых регистров и квантовых вентилей в конкретной технологии.
Стоит ли оно того? Вот один факт. Шор подсчитал, что скромный гибридный, то есть квантовый плюс обычный, компьютер может взломать мощный алгоритм шифрования RSA быстрее, чем обычный компьютер может его зашифровать. Были получены аналогичные результаты для таких задач, как сортировка и распутывание других аналогичных сложных математических задач. Итак, в этой области присутствует достаточно перспектив, чтобы исследователи не теряли энтузиазм. Но было бы неплохо увидеть все это еще при жизни.
Источник статьи: Who Cares About Quantum Computing?
Технологии счета
Может ли сегодня кто-нибудь вспомнить, что такое деревянные счеты с косточками на металлических дугах, или – механический «Феликс» с ручкой, который производил примитивные арифметические расчеты? А ведь эти предметы наполняли нашу жизнь совсем недавно – ну, может, 50-60 лет назад. Потом появились огромные электрические калькуляторы на радиолампах, их сменили транзисторные поменьше, затем еще меньше – до размера наручных часов. А когда все это вместе взятое уже не справлялось с растущими потребностями человечества в расчетах, на арену вышли первые персональные компьютеры. Они были еще очень примитивны, но и это явилось гигантским шагом вперед – в новый нарождавшийся цифровой мир. Теперь вся наша жизнь выстроена по правилам огромной компьютерной сети, а нам все не хватает и не хватает…
Арифмометр “Феликс М”. wikimedia. org_(CC0 1.0)
В 1965 году основатель компании Intel Гордон Мур предсказал, что в дальнейшем каждые два года количество транзисторов на кристалле процессора будет удваиваться при сохранении или даже уменьшении его размеров. Это предсказание стало называться законом Мура. И вот сейчас оно практически исчерпало себя. Развитие существующих компьютерных архитектур подошло к своему потолку – дальнейшее их совершенствование на старых принципах становится невозможным. И наука вновь ищет выход. Теперь – это фотонные компьютеры. Пока что они находятся в зачаточном состоянии, но уже сейчас становится ясно, что им предстоит вывести человечество на новый уровень развития. Во всех смыслах слова – от скачка технологий до сдвигов в общественном сознании.
Что такое квантовый компьютер
Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.
Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.
Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.
В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи (так делает D-Wave) и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач (IBM, Google).
Первый двухкубитный квантовый компьютер появился в 1998 году. Он работал на так называемом явлении «ядерного магнитного резонанса». Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института. В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. Квантовое превосходство подразумевает способность квантовых вычислительных устройств решать те проблемы, которые не могут решить классические компьютеры. По заявлению компании, Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Самому мощному суперкомпьютеру Summit для той же задачи понадобилось бы около 10 тыс. лет.
Работа Sycamore
(Видео: Google)
Правда, в IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ.
В России квантовые технологии также привлекают внимание исследователей. Так, в 2010 году для проведения исследовательских работ в этой области был организован Российский квантовый центр
В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», говорит, что создание квантовых процессоров стало одной из основных задач дорожной карты, утвержденной в июле 2020 года. По его словам, работа ведется в нескольких плоскостях: развитии фундаментальной науки и первых прикладных внедрениях квантовых продуктов. Россия стала одним из 17 технологически развитых государств с официально утвержденной квантовой стратегией.
Что надо знать о квантовых вычислениях
Юнусов рассказал, что перед отечественными разработчиками стоит задача к 2025 году построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволил бы работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей.
Разница между мечтой и реальностью
Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.
Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.
В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при 50 кубитах это будет практически невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.
И все это работает.
Но ученые из IBM скажут вам, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все 50 кубитов работали идеально, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.
«Если бы у вас было 50 или 100 кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».
Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите
По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.
Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM
«Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы»
Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.
Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.
В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.
Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.
