24.11.2017
квантовый компьютер

Квантовое господство: Google знает что делать

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Способность квантовых вычислительных машин значительно превзойти по производительности классические компьютеры называется квантовым господством, пишет MIT Technology Review. 

Компания Google утверждает, что это именно та цель, к которой она будет стремиться.

Быстрее, чем любой суперкомпьютер

Как известно, квантовые компьютеры способны выполнять расчеты невероятно высокой сложности, что значительно превосходит возможности обычных компьютеров. Физики уже давно заявили, что квантовый компьютер с 50 кубитами (квантовыми битами) может превысить по производительности даже самые мощные современные суперкомпьютеры.

Но выход за пределы традиционной вычислительной техники, т. е. достижения квантового господства, как выражаются физики, оказалось сложнее, чем ожидалось. Квантовое состояние (любое допустимое состояние, в котором может находиться квантовая система) очень нестабильно и быстро меняется. Из-за этого физики столкнулись с большими проблемами во время практической изоляции квантовых компьютеров от влияния внешнего мира. В результате квантовые компьютеры сегодня выглядят такими же недосягаемыми, как и раньше.

И существует еще один способ продемонстрировать квантовое предпочтение и этот способ не требует создания универсального квантового компьютера, способного выполнять различные квантовые алгоритмы. Так, физики начали работать со специализированными квантовыми системами, которые могут выполнять только одно задание. Если они покажут, что эта одна задача выходит далеко за пределы возможностей любого обычного компьютера, они впервые продемонстрируют квантовое господства. Однако, пока что не совсем ясно, как это сделать.

Чарльз Нейл (Charles Neill) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Педрем Роушан (Pedram Roushan) из Google утверждают, что нашли путь к квантовому господству. Итоги их работы показывают, что первая демонстрация квантовой технологии может состояться уже через несколько месяцев.

Теоретические основы квантовой технологии

Сначала некоторые пояснения: большое преимущество кубитов над обычными битами заключается в том, что они могут существовать в суперпозиции состояний. Таким образом, если обычный бит может принимать значение либо 1, либо 0, то кубит может одновременно быть как 1, так и 0. Это означает, что два кубита способны представлять четыре числа, три кубита – восемь чисел, а девять кубитов – 512 чисел одновременно. Другими словами, их возможности увеличиваются экспоненциально.

Именно поэтому нужно совсем немного кубитов, чтобы превзойти производительность обычных компьютеров. Всего 50 кубитов могут представлять 10 000 000 000 000 000 цифр. Классический компьютер нуждается в петабайте памяти, чтобы сохранить столько чисел.

Итак, одним из способов достижения квантового господства является создание системы, которая способна поддерживать 49 кубитов в суперпозиции состояний. Эта система не требует каких-либо сложных вычислений, она просто должна быть в состоянии надежно исследовать все пространство 49-кубитной суперпозиции. Таким образом, целью Нейла и Роушана является создание суперпозиции с 49-кубитами. Все это проще сказать, чем сделать, но работа, которую опубликовали ученые, подтверждает правильность концепции.

Решение Нейла и Роушана

Подход исследователей является простым. Кубиты – это квантовые объекты, которые могут существовать в двух состояниях одновременно, и есть множество доступных способов этого достичь. Например, фотоны могут быть поляризированы как по вертикали, так и по горизонтали одновременно, атомные ядра могут в то же время вращаться по оси как вверх, так и вниз, электроны способны одновременно двигаться вдоль двух путей. Физики экспериментируют со всеми этими системами для решения проблемы квантовых вычислений.

Однако Нейл и Роушан выбрали другой путь. Их квантовая система является сверхпроводящим кубитом. Это, по сути, петля металла, охлажденного до низкой температуры. Настроенный ток будет проходить через эту петлю, и он будет там протекать всегда – квантовое явление, известное как сверхпроводимость. Но эта квантовая природа ведет к интересным вещам: ток может течь и в одном направлении, и в другом одновременно. И это позволяет системе действовать как кубит, который одновременно способен равняться как 0, так и 1.

Большим преимуществом сверхпроводящих кубитов является то, что их относительно легко контролировать и измерять. Они также могут быть связаны друг с другом, когда несколько петель с током расположены последовательно на одной микросхеме. Хотя связывание соседних петель – трудная задача и требует иного подхода.

Поток тока в одном направлении или другом – это лишь конфигурация низких энергий. Дайте больше энергии, чтобы другие состояния также стали возможны. Именно эти энергетические состояния, которые могут взаимодействовать друг с другом, создают больше суперпозиций. Таким образом, соседние сверхпроводящие петли могут совместно иметь доступ к одному и тому же, гораздо более сложному состоянию.

Эксперимент, который сделали ученые, заключается в том, что их кубиты суперпроводимости могут одновременно представлять 512 чисел. Это довольно далеко от уровня, который необходим для квантового господства, но эксперимент дает убедительные доказательства того, что его возможно достичь.

Уязвимость изобретения

Недостаток новой технологии заключается в том, что эти квантовые системы содержат не только цифры, но и ошибки, количество которых также увеличивается экспоненциально. Если ошибки начнут размножаться слишком быстро, они «затопят» систему, сделав квантовое предпочтение невозможным.

Основная задача этого эксперимента заключалась в том, чтобы доказать, что ошибки в сверхпроводящих чипах не масштабируются быстро. Команда ученых смогла продемонстрировать, что объем ошибок увеличивается медленно, что должно позволить создание суперпозиции до 60 кубитов. Исследователи утверждают, что благодаря полученным результатам можно достичь квантового господство с использованием именно такой технологии.

Это значительный и интересный результат. Но есть важная оговорка. Создание микросхемы с 50 кубитами возможно лишь в том случае, если ошибки будут продолжать масштабироваться так же медленно, как показала команда ученых. И это вызывает немало вопросов, поскольку исследователи продемонстрировали объем ошибок при увеличении количества кубитов от 5 до 9. Но будут ли ошибки масштабироваться так же медленно, когда число кубитов увеличится с 9 до 50?

Если нет, то до квантового господство все еще далеко. Но если результат эксперимента будет положительным, то команда надеется заявить про квантовую победу уже в ближайшие месяцы.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки