Квантов процесор: описание, принцип на работа

За квантовите изчисления, поне на теория, говорят няколко десетилетия. Съвременните видове машини, които използват некласическа механика, за да се справят с потенциално невъобразими обеми данни, са се превърнали в голям пробив. Според разработчиците, тяхното внедряване е може би най-сложната технология, създавана някога. Квантовите процесори работят на нива на материята, за които човечеството се е научило само преди 100 години. Потенциалът на такива изчисления е огромен. Използването на странни свойства на кванти ще ускори изчисленията, тъй като много задачи, които понастоящем са извън обичайното за класически компютри, ще бъдат решени. И не само в областта на химията и науката за материалите. Уолстрийт също проявява интерес.

Инвестиране в бъдещето

CME Group инвестира във Ванкувър компания 1QB Information Technologies Inc., която разработва софтуер за квантов тип процесори. Според инвеститорите подобни изчисления вероятно ще имат най-голямо въздействие върху индустрии, които работят с големи обеми данни, които са чувствителни към времето. Пример за такива потребители са финансовите институции. Goldman Sachs инвестира в D-Wave Systems, а In-Q-Tel се финансира от ЦРУ. Първият произвежда машини, които правят това, което се нарича "квантово отгряване", т.е. решава задачи за ниска оптимизация с помощта на квантов процесор. Intel също така инвестира в тази технология, въпреки че смята, че нейното внедряване е въпрос на бъдещето.

Защо това е необходимо?

Причината, поради която квантовото изчисление е толкова вълнуващо, е в идеалната комбинация с машинно обучение. Понастоящем това е основното приложение за такива изчисления. Отчасти това е следствие самата идея за квантов компютър е използването на физическо устройство за намиране на решения. Понякога тази концепция е обяснена на примера на играта Angry Birds. За да се симулира гравитацията и взаимодействието на сблъскващи се обекти, CPU на таблета използва математически уравнения. Квантовите процесори поставят този подход с главата надолу. Те "хвърлят" няколко птици и да видят какво се случва. Микрочипът записва задача: това птици, те са хвърлени, каква е оптималната траектория? След това се проверяват всички възможни решения или поне една много голяма комбинация от тях и се дава отговор. В квантов компютър решаване на проблема Не е математик, вместо да работи за законите на физиката.

Как действа?

Основните градивни елементи на нашия свят са квантово-механични. Ако погледнем молекулите, причината те да се формират и да останат стабилни е взаимодействието на техните електронни орбитали. Всички изчисления на квантовата механика се съдържат във всяка от тях. Техният брой нараства експоненциално до нарастването на броя на симулираните електрони. Например за 50 електрона има 2 в 50-тата мощност на възможните варианти. Това е феноменално голям брой, така че не можете да го изчислите днес. Свързването на теорията на информацията с физиката може да посочи начина за решаване на такива проблеми. 50-qubit компютър може да го направи.

Зората на нова ера

Според Ландън Дауъс, президент и съосновател на 1QBit, квантовият процесор е способността да използва изчислителната мощ на субатомния свят, което е от голямо значение за получаване на нови материали или за създаване на нови лекарства. Има преход от парадигма на откритията към нова ера на дизайна. Например, квантовите изчисления могат да бъдат използвани за симулиране на катализатори, които позволяват извличането на въглерод и азот от атмосферата, като по този начин помагат за спиране на глобалното затопляне.

В челните редици на напредъка

Общността на разработчиците на тази технология е изключително развълнувана и заета с активна работа. Екипите по целия свят са строителни машини в стартиращи фирми, корпорации, университети и държавни лаборатории, които използват различни подходи за обработка на квантова информация. Свръхпроводящите чиби чипове и qubits върху уловените йони са създадени от изследователи от университета в Мериленд и от Националния институт за стандарти и технологии на Съединените щати. Microsoft разработва топологичен подход, наречен Station Q, който има за цел да използва неабелски анион, чието съществуване все още не е доказано.

Година на вероятния пробив

И това е само началото. Към края на май 2017 г. броят на квантовите процесори, които уникално правят нещо по-бързо или по-добре от класическия компютър, е нула. Такова събитие ще установи "квантово превъзходство", но досега това не се е случило. Въпреки че е вероятно това да се случи дори тази година. Повечето вътрешни лица казват, че явният фаворит е екипът на Google, ръководен от Джон Мартини, професор по физика в Калифорнийския университет в Санта Барбара. Целта му е да постигне превъзходство в изчислителните процеси с 49-битов процесор. До края на май 2017 г. екипът успешно изпробва 22-чип чип като междинен етап за разглобяване на класически суперкомпютър.

Как започна всичко?

Идеята за използване на квантовата механика за обработка на информация е била в продължение на десетилетия. Едно от ключовите събития се случи през 1981 г., когато IBM и MIT съвместно организираха конференция по компютърна физика. Известен физик Ричард Файнман предложи изграждането на квантов компютър. Както каза, за моделиране е необходимо да се използват средствата на квантовата механика. И това е страхотна задача, защото не изглежда толкова просто. В квантов процесор принципът на действие се основава на няколко странни свойства на атомите - суперпозиция и заплитане. Частицата може да бъде в две състояния едновременно. При измерването обаче ще бъде само в един от тях. И е невъзможно да се предскаже в кой, освен от позицията на теорията на вероятността. Този ефект стои в основата на експеримента на мисълта с котката Шрьодингер, която е в кутията веднага мъртва и жива, докато наблюдателят влезе странно там. Нищо в ежедневието не работи така. Въпреки това, около 1 милион експеримента, извършени от началото на ХХ век, показват, че суперпозицията наистина съществува. Следващата стъпка ще бъде да разберете как да използвате тази концепция.

Квантов процесор: Описание на заданието

Класическите бита могат да отнемат стойността 0 или 1. Ако пропуснете линията им през "логическата порта" (AND, OR, NOT и т.н.), можете да умножете номера, да нарисувате изображения и т.н. Kubit може да вземе стойности 0, 1 или и двете едновременно. Ако, например, 2 qubits са объркани, това ги прави напълно корелирани. Квантов тип процесор може да използва логически порти. T.n. Вентилът Hadamard, например, поставя qubit в състояние на перфектна суперпозиция. Ако суперпозицията и заплитането се комбинират с умело разположените квантови порти, тогава потенциалът на субатомните изчисления започва да се разгръща. 2 qubits ви позволяват да разгледате 4 състояния: 00, 01, 10 и 11. Принципът на квантовия процесор е такъв, че изпълнението на логическа операция прави възможно работата с всички позиции наведнъж. А броят на наличните състояния е 2 на мощността на броя на qubits. Така че, ако направим 50-qubit универсален квантов компютър, теоретично е възможно да изследваме всичките 1,125 квадрилионни комбинации едновременно.

Кюдитите

Квантовият процесор в Русия се вижда малко по-различно. Учените от МИРТ и руския Квантов център създадоха "куджит", които са няколко "виртуални" qubits с различни "енергийни" нива.

амплитуда

Квантов тип процесор има предимството, че квантовата механика се основава на амплитуди. Амплитудите са подобни на вероятността, но могат да бъдат и отрицателни и сложни числа. Така че, ако трябва да изчислите вероятността за събитие, можете да добавите амплитудите на всички възможни варианти за тяхното развитие. Идеята за квантовото изчисление е да се опитаме да създадем интерферентен модел така че някои от начините за грешни отговори имат положителна амплитуда, а някои - отрицателни и следователно те биха се компенсирали един друг. И пътищата, водещи до правилния отговор, ще имат амплитуди, които са във фаза един с друг. Номерът е, че трябва да организирате всичко, без предварително да знаете кой отговор е правилен. Така че експоненциалността на квантовите състояния в комбинация с потенциала за намеса между положителните и отрицателните амплитуди е предимство на изчисленията от този тип.

Алгоритъм на Shore

Има много задачи, които компютърът не може да реши. Например, криптиране. Проблемът е, че не е толкова лесно да се намерят прости множители на 200-цифрено число. Дори ако лаптопът работи с отличен софтуер, може да се наложи да изчакате години, за да намерите отговора. Следователно, друг алгоритъм в квантовото изчисление е алгоритъм, публикуван през 1994 г. от Питър Шор, сега професор по математика в МИТ. Неговият метод се състои в търсене на множители на голям брой с помощта на квантов компютър, който тогава не съществуваше. Всъщност алгоритъмът извършва операции, които сочат към области с правилния отговор. През следващата година Shor откри метод за коригиране на квантовата грешка. Тогава мнозина осъзнаха, че това е алтернативен начин на изчисляване, който в някои случаи може да бъде по-силен. Тогава последва вълна на интерес от страна на физиците да създадат qubits и логически порти между тях. И сега, две десетилетия по-късно, човечеството е на ръба на създаването на пълноправен квантов компютър.