Самый мощный квантовый компьютер на сегодняшний день
Обновлено: 05.07.2024
Приветствую Тебя, мой дорогой друг. В 2019 году квантовый компьютер Google Sycamore провел сложные вычисления менее чем за 200 секунд, на которые IBM Summit - самому мощному суперкомпьютеру в мире, потребовалось бы 10 000 лет. Это означает, что квантовый компьютер Sycamore примерно в 158 миллионов раз быстрее, чем самый быстрый суперкомпьютер в мире. Ученые лаборатории Google говорят, что заложили основу для первого в мире полнофункционального квантового компьютера, который сможет производить более совершенные лекарства, создать более умный искусственный интеллект и разгадывать великие загадки космоса.
Sycamore — название квантового процессора Google, состоящего из 54 кубит. В 2019 году Sycamore выполнил за 200 секунд задание, на которое, согласно сведениям Nature, современному суперкомпьютеру нужно 10 тысяч лет. Таким образом, Google утверждает, что достиг квантового преимущества.(WiKi) Sycamore — название квантового процессора Google, состоящего из 54 кубит. В 2019 году Sycamore выполнил за 200 секунд задание, на которое, согласно сведениям Nature, современному суперкомпьютеру нужно 10 тысяч лет. Таким образом, Google утверждает, что достиг квантового преимущества.(WiKi)Для выполнения сложных вычислительных операций квантовый компьютер использует правила квантовой механики недоступные для человеческого понимания. Квантовая механика относится к разделу физики, занимающейся фотонами, электронами и атомными ядрами - мельчайшими строительными блоками Вселенной, которые ведут себя совершенно нелогично. Например, состояния двух частиц могут быть связаны, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Более того, одна частица может находиться в двух местах одновременно.
Имитируя сложные химические и физические процессы природы на атомном уровне, квантовый компьютер способен разработать новые лекарства и изобрести сверхпроводящие материалы, передающие электричество без потери энергии. Но чтобы начать новый золотой век науки, ученым предстоит преодолеть много препятствий.
Кубиты могут быть везде одновременно
Компьютеры, которыми мы пользуемся ежедневно, хранят данные в виде битов со значением 0 или 1. Четыре классических бита создают 16 различных комбинаций (0000, 0001, 0010 и т.д.). В силу своих вычислительных возможностей, обычный компьютер может работать только с одной из них.
Вычислительная мощность квантового компьютера исходит от квантовых битов, или кубитов, которые используют сразу оба значения: 0 и 1. В этом состоянии, называемом суперпозицией, компьютер обрабатывает все 16 комбинаций данных одновременно. С каждым новым кубитом вычислительная мощность возрастает в геометрической прогрессии. По словам ученых, квантовый компьютер с 300 кубитами способен выполнить больше вычислений, чем атомы во Вселенной.
Исследования делают гигантский скачок вперед
Лучшие лекарства, более умный искусственный интеллект и непредсказуемые космические явления - это лишь некоторые из научных задач, которые могут быть решены с помощью квантовых вычислений.
1. Медицинские эксперименты
Квантовый компьютер может создавать, моделировать и проектировать молекулярные структуры вплоть до атомного уровня. Таким образом, он за считанные секунды произведет вычисления и предоставит результаты того, как новый препарат будет действовать на организм человека.
2. Новые материалы
Ученые также надеются, что возможности квантового компьютера позволят глубже изучить сверхпроводящие материалы, которые будут использоваться в мобильных телефонах, ПК и солнечных элементах.
3. Космические тайны
Несмотря на то, что первая в мире фотография черной дыры была сделана в 2019 году, исследователи глубин космоса недалеко продвинулись в ее изучении.
Исследователи из Шанхайского университета разработали квантовый компьютер, скорость вычислений которого в 10 миллиардов раз выше, чем компьютер Google Sycamore, сообщает The Next Web.
Квантовые компьютеры выполняют такие задачи, которые невозможно решить при помощи обычной вычислительной техники.
В ходе демонстрации работы китайского квантового компьютера, получившего название «Цзючжан», всего за несколько минут была решена задача по отбору проб гауссовских бозонов, которую классический суперкомпьютер решал бы около двух с половиной миллиардов лет.
Ранее такую же квантовую систему представляла Google — работа компьютера Sycamore основывается на принципе суперпозиции, и вместо битов машина использует кубиты (квантовые биты), которые одновременно могут находиться во всевозможных состояниях (в 1 и 0 одновременно). Таким образом, компьютеру не нужно тратить время на перебор всех возможных вариантов состояний.
Отличительной чертой китайской разработки является то, что машина может только демонстрировать квантовое превосходство, но фактически он не решает никаких задач. Компьютер же американской корпорации является программируемым, так что его можно адаптировать под решение различных задач.
Тем не менее, это не умаляет заслуг китайских ученых и их нового компьютера. Один из руководителей разработки, профессор Лю Чаоян отметил, что создание квантового компьютера — это гонка не между странами, а между человечеством и природой.
Между тем, обывателю пока трудно представить, зачем нужны такие мощные машины.
«Такого класса машины призваны работать с гораздо большей скоростью, их принцип построения отличен от используемых сегодня. Предварительно, на них будут считать ограниченный набор задач, таких как scientific computing или crypto-системы. Для прикладного применения технология еще не совсем готова. Существует много накладных расходов при таких вычислениях, это ограничивает сферы их применения, а также языки и подходы к программированию», — сказал Сысоев.
Также эксперт отметил, что прорыв китайских ученых заключается в том, что они создали еще один подход к созданию таких машин.
«Вполне возможно, именно такого рода вычислительные системы в будущем заменят сегодняшние компьютеры.
Если это произойдет, скачок развития человечества будет колоссальным — ведь самый мощный на сегодняшний день суперкомпьютер в сравнении с квантовым будет иметь такую же производительность, как смартфон в сравнении с экзафлопсным суперкомпьютером», — объясняет Сысоев.
Генеральный директор Gamesup42 Игорь Ивченко отметил, что создание квантового компьютера – это технологическая задача, над которой работали долгое время.
«Появление такой техники предвещает рывок в развитии науки, техники, т.к. он основан на других принципах, нежели все современные суперкомпьютеры. Задачи, которые могут решать современные ПК месяцами, а иногда и годами квантовый компьютер может решить мгновенно.
Появление такой техники можно сравнить с событиями такого уровня, как создание первого автомобиля или компьютера.
Эта техника будет предназначена для решения сложнейших задач человечества, а не для утилитарных функций, к которым все привыкли», — рассказал эксперт.
Эксперт сказал, что квантовый компьютер может помочь в решении проблем, где учитывается бесконечное число входящих. Например, как выжить человечеству в условиях прогрессирующего глобального климатического потепления, или помочь в создании космических аппаратов, которые позволят осуществлять межпланетные перелеты.
«Кубиты по своей природе нестабильны, они мгновенно «забывают» информацию. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Для решения этой проблемы нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов, что представляет собой в настоящий момент даже не технологическую проблему, а научно-теоретическую», — рассказал эксперт.
Также эксперт отметил, что в теории квантовый компьютер позволит значительно ускорить вычисление алгебраических, теоретико-числовых и предсказательных алгоритмов.
Реализация полноценного квантового компьютера сможет также ускорить решения задач, связанных с моделированием, шифрованием, искусственным интеллектом, биоинформатикой, химии и генной инженерии.
Меликишвили также признал важность прорыва, которого добились китайские ученые.
«Китайские ученые опубликовали статью в журнале Science, в которой говорится, что они создали действующий прототип квантового компьютера, превышающий своей производительностью в 10^14 (10 в 14 степени) раз существующие прототипы от Google и IBM. Если этот прототип действительно соответствует заявленных характеристикам — то это колоссальный прорыв в этой сфере науки. При этом важно понимать, что и китайский квантовый компьютер, и компьютеры Google и IBM – это по сути эксперименты, где ученые проверяют различные научные гипотезы с помощью очень сложного высокотехнологичного оборудования, до реального создания квантового компьютера и тем более его прикладного использования еще очень далеко», — заключил эксперт.
Об этом рассказывает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации "Росатом" и глава недавно созданной в России Национальной квантовой лаборатории Р. Юнусов.
- Руслан Рауфович, сейчас в мире происходит гонка, которую большинство ученых сравнивает с послевоенными "атомной", "космической" и "лунной" гонками. При этом миллионы людей о ней даже не догадываются. Потому, что речь идет о "квантовой" гонке, а квантовый мир - самая серьезная и фундаментальная область физики, и посвящены в нее немногие. Кто первый создаст универсальный компьютер на квантах - это сейчас вопрос вопросов. 10 самых продвинутых научных центров в США, Китае, Германии, Японии стремятся обогнать друг друга в конструировании, по сути, холодильника высотою 2 метра, внутри которого расположен один-единственный чип размером с ноготь. При этом одни ученые, среди которых немало нобелевских лауреатов, утверждают, что с помощью КК мы вполне способны разгадать большинство тайн мироздания, а другие уверяют, что потолок КК - это расшифровка любой засекреченной информации и создание любых, самых сложных и чудотворных лекарств. Где правда?
- Я однозначно отношу себя к первой группе. Компьютер, использующий в работе законы квантового мира, а они совсем не такие, как в окружающей нас действительности: там все мизерное, кругом лишь атомы, фотоны, ионы - кванты, одним словом - так вот подобный компьютер нам стопроцентно расскажет, кто мы такие во Вселенной, откуда появились, как была создана она сама.
- Вот это вряд ли. Я, будучи студентом, наткнулся однажды на любопытный фантастический рассказ. В нем люди придумали совершенный искусственный разум, и оператор с надеждой спрашивает его: "Есть ли Бог?" Разум отвечает: "Теперь есть". После чего оператор сгорает в электрическом разряде.
Все-таки как была создана Вселенная и кем она была создана - вопросы разного порядка. На первый ответить можно, на второй вряд ли. Он, мне кажется, так и останется лишь вопросом веры.
Биты - убиты
- А вы можете объяснить для профана-гуманитария - в чем главное отличие квантового компьютера от обычного. На пальцах, что называется. Я постараюсь напрячь мозг.
- Давайте попробуем (улыбается). В обычном компьютере вся информация зашифрована в битах. 1 бит - 1 единица информации. А биты, в свою очередь, состоят из одних только нулей и единичек. Все, что содержится в вашем планшете, смартфоне, ноутбуке, тексты, фото, картинки - все зашифровано с помощью единиц и нулей. Которые - внимание! - могут составлять одномоментно лишь одно состояние, пусть даже и сложное. Для 10 битов, например, 1001101010.
В КК вся информация зашифрована в кубитах (к слову "биты" просто добавлена приставка "ку" - от английского слова quantum, что означает "квант"). В роли этих кубитов могут выступать или атомы редкоземельных металлов итербия, тулия, или частицы света фотоны, или ионы - заряженные атомы, "потерявшие" или, наоборот, "приобретшие" один или несколько электронов. Или просто электрические цепи в сверхпроводниках.
Все эти атомы или фотоны в квантовом мире могут быть там и тут одновременно. И единицей, и нулем. Это называется суперпозицией. Обычный компьютер оперирует только одним состоянием. А квантовый. У него возможных состояний 2 в той степени, сколько заложено в нем кубитов. Если кубитов 10, то он одновременно в 1024 состояниях, а если всего лишь 300, то 2 в 300-й степени - это больше, чем атомов во всей Вселенной, можете себе такое представить? КК "соображает" сразу на всех уровнях. Параллельно. Поэтому он всегда будет на голову выше любого обычного компьютера, пусть даже и с приставкой "супер". Можно и дальше углубляться в странные законы квантового мира, например, для КК нужна еще и квантовая запутанность. Слышали про такое?
- Ну, кто ж не знает про квантовую запутанность. Кстати, не так давно ученые из Шанхайского университета представили КК "Цзючжан", который, как они заявили, является на сегодняшний день самым мощным квантовым компьютером. Во время демонстрации он всего за несколько минут решил задачу по отбору проб гауссовских бозонов. Это я цитирую информационное агентство, не пугайтесь моей грамотности. С подобной задачей самый мощный современный суперкомпьютер справился бы только за 2,5 миллиарда лет. Получается - КК уже создан, гонка завершилась?
Именно компьютер на квантах нам расскажет, кто мы такие во Вселенной и как была создана она сама- Что вы, только начинается. Китайский продукт - это не полноценный, не универсальный квантовый компьютер. Он так называемый симулятор, который предназначен лишь для демонстрации "квантового превосходства". Другими словами, "Цзючжан" делает на публике то, чего никогда не сможет сделать обычный суперкомпьютер, пусть даже с миллионами ядер. В прошлом году, кстати, Google представила свой прототип КК - Sycamore. Китайские ученые сообщили, что скорость вычислений их КК в 10 миллиардов раз выше, чем гугловского. Но последний уже программируется, то есть может решать разные задачи, а китайский нет. Что, конечно, никак не умаляет заслуг шанхайских ученых. К слову, один из руководителей программы, профессор Лю Чаоян сказал, что создание КК - это гонка не между странами, а между человечеством и природой. Очень точное замечание.
Атомный "выстрел"
- А мы на каком месте с хвоста этой гонки?
- Ну, зачем так. В России есть программа, на которую выделено 24 миллиарда рублей. Через три года мы должны создать 100-кубитный прототип квантового компьютера, а также разработать софт и алгоритмы. Задача, конечно, грандиозная. Но выполнимая.
- Вы это серьезно?
- Абсолютно. Иначе бы я просто не руководил "квантовой" программой. Мы уже полным ходом работаем на всех четырех платформах - с атомами, охлажденными почти до абсолютного нуля, ионами, которые захватывают в ловушки лазеры, фотонами, со сверхпроводниками. Что в конце концов "выстрелит", на какой основе будет создан в будущем КК - в мире не знает никто. Поэтому все работают по нескольким направлениям. Китайцы сильны в оптике и сверхпроводниках, американцы - в сверхпроводниках, атомах и ионах, европейцы в атомах и ионах. Наша задача - встать в число лидеров. Начать тоже что-то создавать первыми в области квантовых вычислений. И это нам по силам. Мозги-то в России еще остались, уверяю вас. Знаете, как в теоретической физике ученые шутят? Если на пути исследования встретилась проблема - поройся в книгах русских физиков, они, скорее всего, уже решили ее лет 40 назад.
Чаша Грааля
- Известный итальянский ученый Томмазо Каларко, с которым сотрудничает ваша лаборатория, заявил, что никто в мире до сих пор не знает, как построить универсальный КК. Мы, дескать, даже не можем нормально транспортировать атомы. Руководитель квантовой лаборатории в США, в Гарварде, Михаил Лукин, выпускник, кстати, нашего Физтеха, и профессор Кристофер Монро из университета Мэриленда, напротив, уверены, что он появится в ближайшие 10 лет. Ваш прогноз?
- В ближайшие три года будут созданы прототипы КК, перешагнувшие рубеж в тысячу кубит. Тысячные кубитники намереваются сделать тот же Миша Лукин на "холодных" атомах, Кристофер Монро на ионах, француз Антуан Брауэрс на атомах, компания IBM на сверхпроводниках. Ориентировочно к 2030 г. использовать квантовый компьютер станет экономически выгодно. К этому времени появится и универсальный КК, и мощные квантовые симуляторы. Они будут применяться при разработке вакцин от большинства тяжелых болезней, того же рака, например, а также для создания уникальных материалов с новыми, фантастическими по сегодняшним меркам характеристиками. Это кардинально изменит транспорт, всю нашу жизнь. Если уходить от прогнозов к совсем фантастической футурологии, то когда-нибудь с помощью КК мы поймем, как устроена наша Вселенная и создадим модель новой Вселенной, нового мира. А заодно и новых людей. Вот тут и начнется самое интересное. (смеется).
- Сделаем такие же атомы с ножками, как мы сами. И с большими амбициями, что нехарактерно для атомов, поэтому экзамен на цивилизацию они тоже не пройдут. А можете поделиться своими соображениями по поводу модели Вселенной, загодя, так сказать? Вы же, наверняка, не раз об этом думали.
- Мне кажется, что мы вполне можем существовать в матрице. Эта теория очень хорошо согласуется и с нашей реальностью, и с законами квантового мира. Но так ли это, нам, вполне возможно, расскажет именно квантовый компьютер.
- То есть наш мозг додуматься до модели не в состоянии. Слабоват. Хотя многие ученые считают его чуть ли не самым загадочным объектом в той же Вселенной.
- Видите ли, человеческий мозг изначально не создавался для научных открытий. Его задачей было наладить коммуникацию в социальном обществе - с остальными нашими прародителями, человекообразными обезьянами и т.д. Все гениальные идеи, невероятный креатив, талантливые творческие произведения - для мозга всего лишь побочные явления. Поэтому-то мы и пришли к неизбежности создания КК. Знаете закон Мура, одного из основателей Intel? Что каждые 18 месяцев производительность компьютеров удваивается. То есть за последние 50 лет эта производительность увеличилась в миллиард раз. Транзисторы уже стали размером порядка 10 нанометров, это примерно в 10 раз меньше диаметра частицы коронавируса. Дальше уже фундаментальный предел. А человечеству для разных нужд нужны еще более мощные машины. Что делать? Всю Землю обложить процессорами? Но и тогда мы не получим требуемой скорости вычислений. А КК масштабируется очень быстро, уже со ста кубитами он недостижим для настоящих и будущих суперкомпьютеров.
- Другими словами, КК - это что-то вроде чаши Грааля для современной науки и нашей будущей жизни.
Бег за лидерами
- Конкуренция в "квантовом" мире жесткая или жестокая?
- Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.
- Честно? Как создать 100-кубитный прототип квантового компьютера к 2024 году - мы понимаем. А вот как выйти в лидеры в этой области - пока нет.
- Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.
- Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого "Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот. "
Команда исследователей из Университета науки и технологий Китая разработала программируемый квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов, который претендует на звание самого производительного в мире. Он за час справился с поставленной перед ним вычислительной задачей, тогда как у обычных классических компьютеров на её решение потребовалось бы более восьми лет. Учёные опубликовали результаты своей работы в репозитории научных трудов ArXiv.
Схема двумерного сверхпроводящего кубита-чипа. Изображение: Университет науки и технологий Китая
Разработка китайских исследователей получила название Zuchongzhi. Она представляет собой двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор, способный объединить до 66 кубитов. Для демонстрации его возможностей учёные из Поднебесной использовали 56 кубитов. Перед системой стояла задача по моделированию случайных квантовых цепочек (random quantum circuits) — совершению длинных последовательностей операций над кубитами и измерение результатов. Причём чем больше в системе кубитов, тем сложнее решение задачи. Получить такие же результаты на классическом суперкомпьютере будет крайне сложно из-за необходимости просчёта огромного числа возможных состояний, в которых может находиться система (два в степени равной числу кубитов).
«По нашим подсчётам с задачей по моделированию случайных квантовых цепочек Zuchongzhi справился за 1,2 часа, в то время как у самых мощных суперкомпьютеров в мире на неё уйдёт как минимум восемь лет», — указывают исследователи в своей статье. Учёные также отмечают, что их работа демонстрирует однозначное превосходство в вычислительной мощности над классическими компьютерами, которые не позволяют проводить подобные расчёты в разумные сроки.
Задача, которую решал китайский квантовый компьютер Zuchongzhi, примерно 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore в 2019 году, который называли самым мощным в мире. Квантовая система Sycamore использовала 54 кубита, а Zuchongzhi — 56 и при этом продемонстрировала результат, доказывающий, что с увеличением числа квантовых битов производительность квантовой системы увеличивается в геометрической прогрессии. Таким образом новая китайская разработка является самым мощным программируемым квантовым компьютером в мире, и имеет потенциал для увеличения производительности (при активации всех доступных 66 кубитов).
К слову, та же команда китайских учёных в 2020 году продемонстрировала ещё один квантовый компьютер. Он работал на базе 76 фотонных кубитов и использовал сложную установку из лазеров, зеркал, призм, детекторов фотонов и не был программируемым, как Zuchongzhi или тот же Sycamore.
Читайте также: