ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Технології — 18.07.20
    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Відповідь на питання життя, Всесвіту і взагалі: на що здатні квантові комп’ютери

    Комп’ютери проникли майже в усі галузі життя, допомагаючи людині у роботі та навчанні. Але що робити там, де навіть сучасні суперкомп’ютери не надають необхідної продуктивності? Створювати обчислювальні пристрої, що працюють на базі квантових ефектів. Досі вважаєте, що це лише наукова фантастика, яка не має нічого спільного з реальним життям?  

    Звичайний комп’ютер – це, умовно кажучи, коробка з пов’язаним між собою набором плат та мікросхем. Мозком комп’ютера є процесор – кремнієва мікросхема, яка відповідає за обробку даних. У роботі процесор використовує оперативну пам’ять, накопичувач інформації, відеокарту та інші компоненти системи. Звичайний комп’ютер зберігає, передає й обробляє інформацію у бітах – одиницях вимірювання інформації, що мають вигляд нулів та одиниць. Тобто він використовує двійковий код.

     

    Натомість в основі роботи центрального процесора квантового комп’ютера лежать закони квантової механіки. Такий комп’ютер принципово відрізняється від традиційних комп’ютерів, що працюють на базі кремнієвих мікросхем. Основною відмінністю є те, що для обчислення квантовий комп’ютер використовує не двійкову систему, а квантові алгоритми (квантовий паралелізм та квантову заплутаність). Базою для таких обчислень стає не біт, а кубіт – одиниця інформації, що може приймати значення «0» та «1» одночасно.

     

    Чому квантові комп’ютери потрібні людству?

     

    Щоденно з’являється величезна кількість інформації, яку потрібно зберігати, обробляти і правильно використовувати. Попри високу потужність сучасних суперкомп’ютерів, навіть вони не завжди можуть успішно впоратися з таким обсягом даних. Вони досі занадто повільні для виконання деяких важливих наукових завдань – наприклад, тестування впливу нових лікарських препаратів на молекулярному рівні, моделювання поведінки елементарних частинок у Всесвіті або розшифрування повідомлень, зашифрованих сучасними криптографічними алгоритмами.

     

    Наразі використання обмежене симуляцією та вирішенням задач, які не мають реального сенсу. Саме для цього існує розділення задач на класи складності. Два поширених класи – Р та NР. До Р належать усі задачі, що здатен швидко вирішити звичайний комп’ютер (наприклад, чи є відповідь простим числом). До NP – задачі, що не завжди швидко вирішуються, але правильність кожного рішення можна швидко перевірити (наприклад, які прості множники числа-відповіді). Своєрідний новий клас задач (BQP), вирішення яких не до снаги класичним алгоритмам, змогли придумати Рен Рез та Авішай Тал у 2009–2015 роках. Задача полягає у наступному: дізнатися, чи є взаємозв’язок між двома генераторами випадкових чисел. Їхня робота1 дає впевненість у тому, що квантові комп’ютери існують в окремому обчислювальному світі від класичних. 

     

    Більшість спеціалістів згодні з думкою, що квантові комп’ютери – це наш шанс впоратися з викликами ХХІ сторіччя.

     

    Основи роботи квантового комп’ютера, або до чого тут кіт Шрьодінґера

     

    Якщо звичайний комп’ютер працює за принципом чіткої логіки, то квантовий – за принципами квантової невизначеності. Класичний приклад пояснення квантового ефекту – кіт, який перебуває у закритій камері з вибухівкою, що може здетонувати з певною імовірністю. У традиційному розумінні кіт може бути або живим (вибухівка не спрацювала), або мертвим (стався вибух). Але якщо ми розглядаємо квантову механіку, то для зовнішнього спостерігача невідомо, стався вибух у камері чи ні, тому він не знає, живий кіт чи мертвий. Для нього ймовірні обидва варіанти подій. Правильним питанням у цьому випадку є: яка ймовірність, що кіт живий або мертвий?

     

    Отже, ймовірність – перше важливе поняття у квантовій механіці. Якщо оперувати класичною фізикою, то зазвичай невизначеність маскує наше незнання. Наприклад, коли ми купуємо лотерейний квиток, то для нас з’являється ймовірність виграти джекпот. Але для класичної фізики лотерея – це не імовірнісний процес. Адже можна прорахувати рух руки, що запускає барабан, швидкість та траєкторію кожної кульки тощо. Теоретично це зробити можна (на практиці, звичайно, дуже складно). У квантовій механіці навіть теоретично неможливо вгадати, що трапиться у наступну секунду. Ми можемо лише передбачати це з точки зору ймовірності.

     

    Ще одне важливе поняття – принцип суперпозиції. Звичайний біт інформації знаходиться лише в одному значенні в певний час – «0» або «1». У квантових комп’ютерах оперують кубіти, що можуть перебувати одночасно у декількох станах з певною ймовірністю, до того ж у різних комбінаціях – суперпозиціяхСуперпозиція (у квантовій механіці) – принцип, що стверджує можливість одночасного перебування частинки у декількох станах. цих станів.

     

    Коли кубіт перебуває одночасно у декількох станах, то можна оперувати лише ймовірністю. Так, якщо цих станів багато, система з кубітів одночасно перебуває в усіх можливих станах, але з меншою ймовірністю для кожного. Це дає можливість працювати одночасно з усією інформацією.

     

    Пам’ять квантового комп’ютера

     

    Як можна запам’ятовувати інформацію, коли вона невизначена? І справді, звичайний комп’ютер записує числа у двійковому коді: наприклад, 8 можна записати як 1000. Щодо квантового комп’ютера, то ймовірність – це також число. Але щоб записати число з нескінченною точністю, потрібно нескінченна кількість бітів. Тому теоретично один кубіт – це фізична система з нескінченною кількістю пам’яті.

     

    На практиці у кожного методу вимірювання обмежена точність. Один кубіт відповідає двом натуральним числам (два стани – дві числові ймовірності), а це великий виграш, якщо порівнювати зі звичайним комп’ютером, адже для нього два числа (два машинних слова) – це 128 біт (йдеться про поширену архітектуру х64). На перший погляд здається, що квантовий комп’ютер у 128 разів продуктивніший за звичайний, але це не так. Насправді він експоненційно кращий, ніж звичайний. Тому що один кубіт – це два числа, два кубіти – чотири тощо. Таким чином, вісім кубітів – це 256 потенційних конфігурацій нулів та одиниць (2 у 8 степені). Тобто для звичайного кубіта перевага становить 128 разів, а для восьми кубітів – 256*128 або 32768 разів.

     

    Цікаво, що пам’ять звичайного ноутбука еквівалентна 15 кубітам. 40 кубітів – це пам’ять найбільших обчислювальних центрів, а 50–60 – це більше, ніж пам’ять усіх обчислювальних систем у світі.

     

    Параметри квантового комп’ютера

     

    У класичного комп’ютера є два параметри якості роботи: об’єм пам’яті та максимальна кількість операцій за одиницю часу. У квантового комп’ютера їх три: об’єм пам’яті, кількість послідовних операцій та універсальність.

     

    Об’єм пам’яті – це кількість кубітів, яку використовує система. Проте збільшення пам’яті – не завжди хороший варіант, адже у квантовому комп’ютері це призводить до росту складності розрахунку квантової системи, бо її стає важче підтримувати в ізольованому стані.

     

    Максимальна кількість проведення послідовних операцій (когерентність) також залежить від ізольованості системи. Адже якщо допустити її взаємодію із середовищем навколо, то це зруйнує стан комірок квантової пам’яті. Замість певної інформації там буде просто хаотичний шум. Можна порівняти це зі звичайним комп’ютером, який з часом навантаження перегрівається і вимикається. Так і квантовий: що довше працює, то більше перегрівається, доки зовсім не руйнується.

     

    Універсальність залежить від архітектури, що використовується у комп’ютерах. Звичайні ПК можуть виконувати будь-які операції: множення, ділення, додавання, віднімання. Квантові, теоретично, також. Але значно простіше зробити систему, що працює з певним видом операцій. На практиці усі три параметри якості роботи конфліктують між собою, і покращення одного призводить до погіршення інших.  

     

    Як рахує квантовий комп’ютер

     

    Квантова механіка має природу ймовірностей, але нам потрібна чітка відповідь. Виникає питання: як взагалі на ньому щось порахувати? Річ у тому, що квантові комп’ютери не видають певне число, а підбирають варіант, який з найвищою ймовірністю є точним. Уявімо, що потрібно відкрити замок. Відмичками користуватися ми не вміємо і не знаємо, який ключ підходить до цього замка. Але завдяки квантовому комп’ютеру ми можемо швидко перевірити всі ключі у світі: серед них є хоча б один, який підходить до нашого замка.

     

    Завдяки принципу суперпозиції квантова система одночасно має усі ключі і перевіряє їх, шукаючи найкращий варіант. Однозначної відповіді система не дає, але збільшує ймовірність того, що найкращий варіант є правильним. Так нам не потрібно перевіряти кожен ключ окремо, ми можемо відразу взяти той, який запропонувала система. А якщо трапиться, що він неправильний, то можемо запустити комп’ютер знову. Ймовірність отримання правильного результату доволі велика – у середньому понад 60%. А отже, за 2–4 запуски алгоритму ми можемо отримати правильний результат з похибкою менше ніж 5%. Адже на кожному наступному кроці відсікаються результати з невисокою вірогідністю.

     

    Можна навести і більш практичний приклад. Уявімо, що у вас є автомобіль на якому потрібно розвезти 1000 різних посилок по 1000 різних місць. Як вибрати оптимальний маршрут? На перший погляд здається, що все просто: додаємо маршрут у навігатор і чекаємо на відповідь. Але перебрати 1000 варіантів на 1000 адрес для звичайного комп’ютера (навіть суперкомп’ютера) – задача на десятки, а, можливо, і на кілька сотень років. А ось квантовий комп’ютер вирішить її доволі швидко завдяки принципу суперпозиції та можливості одночасно перевіряти усі варіанти. 

     

    Що таке квантова перевага і як її досягти

     

    Вчені та дослідники по всьому світу вже понад 13 років працюють у цьому напрямку, але досі не можуть знайти практичну реалізацію квантовим комп’ютерам, яка би була більш доцільною за звичайні алгоритми. Поки що це різноманітні симуляції, віртуальні обчислення та гіпотетичні висновки. Немає універсального бенчмарку, що може порівняти обчислювальну потужність квантової системи або хоча б порівняти її з класичними комп’ютерами. Іншими словами: для перевірки роботи квантового комп’ютера потрібен інший квантовий комп’ютер. На перший погляд здається, що це замкнене коло, паралельний світ, що ніколи не знайде практичного використання.

     

    Але у жовтні 2019 року пошуковий гігант Google заявив про серйозний прорив у створенні квантового комп’ютера й назвав це квантовою перевагою. За заявою компанії, це наблизило людство до створення принципово нових обчислювальних систем, що здатні робити розрахунки зі швидкістю, яка недоступна для сьогоднішніх технологій. Досягнення полягає у тому, що їхньому комп’ютеру вдалося вирішити певну задачу за три хвилини, коли звичайному суперкомп’ютеру потрібно було б не менше ніж десяток тисяч років.

     

    Термін «квантова перевага» з’явився у 2012 році. Його ввів американський фізик Джон Прескіл. Досягти квантової переваги – довести, що квантові комп’ютери працюють краще за звичайні (використовують менше часу на вирішення задач або взагалі можуть вирішувати задачі, що не до снаги звичайним)

     

    Деякі вчені вже встигли порівняти заяву Google з першим польотом братів Райт, що свого часу стало доказом реальності польотів, хоча технологія потребувала доробок. Однак інші дослідники не поспішають із висновками: ще багато чого потрібно зробити, щоб квантові комп’ютери могли використовуватися за межами лабораторій, оснащених кріогенною технікою та електромагнітними екранами. Цікаво, що ще більш скептичне ставлення до заяви Google має компанія IBM. У блозі ІВМ вказано, що спеціалісти Google спекулюють на квантовій популярності та реально помилилися у розрахунках приблизно на 150 мільйонів відсотків. На їхню думку, вирішення математичної задачі, що ставилася у приклад, зайняло б у звичайного комп’ютера лише два–три дні.  

     

    Концепція квантової переваги передбачає наявність унікальних особливостей квантових комп’ютерів (суперпозиція та квантова заплутаністьКвантова заплутаність – явище, при якому квантові стани двох або більше об’єктів виявляються взаємозалежними.), що надають їм якісної переваги над звичайними алгоритмами. Поки що для більшості задач вистачає звичайних комп’ютерів, що мають ієрархію пам’яті, а також здатні виконувати точні обчислення (є задача – є чітка відповідь). Проте, як заявив голова дослідницької лабораторії IBM Даріо Гіл, квантові технології стають дедалі ближчими до реальності. Він вважає, що вже через декілька років вони зможуть працювати поруч зі звичайними комп’ютерами.

     

    Реальні прототипи

     

    Перші квантові комп’ютери нагадують старі обчислювальні системи, що займають цілі кімнати. Це великі шафи, які мають понад три метри у висоту та понад 20 кубічних метрів об’єму. Проте розмір самого квантового чіпа (процесора) доволі невеликий, його можна порівняти з розміром монети у 25 копійок. Більшу частину решти простору займають системи охолодження та екранування. Справа у тому, що квантові процесори використовують кубіти, які є субатомними частинками – електронами, фотонами або протонами. Генерування та управління кубітами – непросте наукове й інженерне завдання. Деякі компанії, як-от IBM, Google і Rigetti Computing, використовують надпровідні електричні кола, охолоджені до температур, нижчих ніж у глибокому космосі (близько до абсолютного мінімуму, тобто –273 градуси). Це досягається використанням систем охолодження на основі рідкого гелію. Інші ж, наприклад, IonQ, «ловлять» окремі атоми в електромагнітному полі на кремнієвих чіпах у вакуумних камерах. Мета в обох випадках однакова – ізолювати кубіти в контрольованому квантовому стані.

     

    Універсальні квантові комп’ютери

     

    Універсальні квантові комп’ютери – це машини від Google та IBM з пам’яттю близько 20 кубітів. Завдяки невеликій кількості кубітів вони можуть виконувати будь-які операції. Можливо, через рік або більше вчені навчаться працювати з 30–40 кубітами.

     

    Універсальні квантові комп’ютери здатні реалізувати довільні алгоритми, наприклад, алгоритми Шора та Гровера. Близько 25 років тому Пітер Шор опублікував статтю, де йдеться про те, як квантовий комп’ютер може розкладати дуже велике число на прості множники. Алгоритм працює таким чином, що не знаходить точне значення, як звичайний ПК, а вгадує його з імовірністю понад 50% і знаходить прості множники експоненційно швидше. Але наразі алгоритм використовують лише для невеликих чисел, адже для більшої задачі потрібен більший квантовий комп’ютер.

     

    Іншим прикладом, що демонструє потенціал квантових обчислень, є алгоритм Гровера, або, як називав його сам винахідник, «алгоритм пошуку голки у скирті сіна». Він ефективний, наприклад, для пошуку потрібних слів у базі даних.

     

    Якщо забути про універсальність та вплив середовища, то можна зробити квантовий комп’ютер з дуже великим числом кубітів. У цьому напрямку працює Канадська компанія D-Wave. Вони мають процесори з тисячами кубітів пам’яті, але без когерентності, тобто без можливості проводити послідовні операції протягом тривалого часу. На практиці це призводить до того, що такі комп’ютери не придатні для вирішування більшої кількості практичних задач.

     

    Можна з упевненістю заявити, що кубіти стануть основним елементом майбутніх квантових комп’ютерів, здатних вирішувати завдання, недоступні класичним кремнієвим обчислювальним машинам. Потенційні галузі використання квантових комп’ютерів безмежні: криптографія, наука, медицина, нові матеріали, штучний інтелект, енергетика. Але разом з новими можливостями людство стикається і з новими проблемами. Перешкод на шляху створення квантових комп’ютерів чимало. Потрібно навчитися приводити кубіти у вихідний стан, об’єднувати їх у великі системи, ізолювати від зовнішнього впливу та правильно трактувати результати квантового обчислення. Що й казати про складність вибору елементної бази для створення кубітів.

     

    Утім, наявні досягнення та реальні прототипи вже дають результат, а динаміка досліджень вказує на значний прогрес за останні 10 років. Без сумнівів, поява повноцінного екземпляру квантового комп’ютера значно прискорить створення надпровідників, що працюють за кімнатних температур, ліків від невиліковних хвороб тощо.

    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    Статті
    Медицина
    Невидимий ворог на нашій землі: чому варто зробити щеплення від правця

    За останні декілька місяців українці навчились остерігатись багатьох речей: ракет, мін, російської музики та ютубу, але ми все ще забуваємо про невидимого ворога у нашій землі. Неприємно познайомитись – Clostridium tetani, збудник правця.

    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?