`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Так реально ли создание квантового компьютера?

+44
голоса

«Спор ещё не окончен – в дискуссию активно включаются другие ученые. Веские аргументы сторон пока ещё недостаточны для раскрытия тайн Природы, но спорщики не теряют надежды на победу в споре, подыскивая новые доводы».

Такими словами оканчивается статья Елены Гомонай «$100000 или Каковой будет цена открытия?». Они напомнили мне об аналогичной дискуссии между другими участниками, которая была опубликована Джулией Сартайн (Julie Sartain) на страницах журнала Network World. И хотя в ряде случаев обе статьи пересекаются, тем не менее, IMHO, познакомиться с доводами «за» и «против», высказанными еще рядом известных ученых, будет весьма интересно нашим читателям.

Работы в области квантовых вычислений ведутся уже более десяти лет, однако возникающие препятствия поднимают вопрос, выйдет ли когда-нибудь квантовый компьютер из стен лабораторий.

Теоретически квантовые компьютеры являются истинно параллельными системами и могут иметь фантастическую производительность. Оливер Пфайзер (Olivier Pfister), профессор экспериментальной оптики, атомной и молекулярной физики в Университете Вирджинии, говорит, что квантовые алгоритмы могли бы обеспечить экспоненциальное увеличение скорости вычислений при поиске в базах данных, распознавании образов, решении сложных математических проблем и взломе шифров. «Однако препятствия на пути достижения успеха многочисленны», – замечает он. Первым является масштабируемость, то есть, как построить систему с большим количеством кубитов. Второе, пожалуй, еще более серьезное – как преодолеть нарушение когерентности, случайных изменений квантовых состояний, которые появляются при взаимодействии кубитов с окружающей средой.

Первое препятствие как бы очевидно: квантовые системы микроскопичны. Проблема заключается в том, чтобы достичь необходимого уровеня управления системой, включающей тысячи атомов, на атомной шкале. На сегодняшний день научились управлять, примерно, десятью атомами.

«Моя работа с оптическими полями продемонстрировала хороший предварительный контроль системы, эквивалентной 60 кубитам, которые мы называем Q-модами (Qmodes). Она потенциально допускает расширение до нескольких тысяч Q-мод, – говорит проф. Пфайзер. – Каждая Q-мода является определенным специфическим цветом электромагнитного поля, но чтобы разработать квантовый компьютер необходимы сотни и тысячи Q-мод».

Что касается нарушения когерентности, то «все алгоритмы и патенты во всем мире не приведут к построению квантового компьютера, пока мы не научимся сохранять когерентность», – отмечает проф. Филип Стэмп (Philip Stamp), директор Тихоокеанского института теоретической физики, физики и астрономии при Университете Британской Колумбии.

По всему миру проводится множество экспериментов, в которых исследователи объявляют, что они построили устройство для квантовой обработки информации. Однако многие из этих заявлений исчезают, когда задается прямой вопрос о когерентности в многокубитовых системах.

До сих пор большинство тонких квантовых вычислений выполнялось на ионных ловушках, содержащих до восьми зацепленных кубитов. Но физики верят, что перспективы в этой области связаны с твердотельными устройствами, то есть с процессорами на базе электроники твердого тела как противопоставление атомным частицам. Вплоть до недавнего времени не было возможным использовать твердотельные кубиты, поскольку время их жизни исчислялось наносекундами. Теперь эти кубиты могут жить микросекунды, что достаточно для выполнения простых алгоритмов.

Квантовые разногласия

Самые последние результаты, показывающие очень низкую декогерентность для кубитов на магнитных молекулах, представила команда исследователей компании D-Wave Systems из Ванкувера. Она использовала технику, называемую квантовый отжиг (quantum annealing), которая смогла обеспечить вычислительную модель для квантового процессора.

Физик-экспериментатор и программист квантовых вычислений д-р Сьюзен Джилдерт (Suzanne Gildert) из Бирмингемского университета (не сотрудник D-Wave) говорит, что при квантовом отжиге когерентность не является проблемой. Согласно Джилдерт, D-Wave для построения своего квантового компьютера использует «естественные квантовые вычисления» (Natural Quantum Computing, NQC), которые очень сильно отличаются от традиционно предлагаемых схем.

«Некоторые схемы квантовых вычислений пытаются реализовать идеи, почерпнутые из области традиционных компьютерных вычислений – такие как логические операции – и сделать их «квантовую» версию, что крайне трудно. Реализация «квантовых» версий компьютерных операций – процесс очень деликатный. Это подобно попытке удерживать в равновесии карандаш, поставленный на брусок дерева, и затем передвигать этот брусок. Это почти невозможно. Вы должны постоянно напрягаться, чтобы удержать карандаш (другими словами, кубит) в вертикальном положении. Падение карандаша – это нарушение когерентности в нашем контексте, – говорит Джилдерт. – В нашем подходе NQC, который более масштабируемый и надежный, мы, образно говоря, позволяем карандашу лежать на плоской поверхности бруска. Таким образом мы избегаем проблем, связанных с потерей когерентности битами, поскольку состояние, в которое мы устанавливаем систему, является более естественным (вот почему мы называем эти вычисления NQC)».

Но Джим Талли (Jim Tully), вице-президент и главный исследователь в области электроники и полупроводников из Gartner Research, говорит, что у D-Wave на самом деле не истинно квантовые вычисления. «Подкласс квантовых вычислений, продемонстрированный D-Wave и называемый квантовый отжиг, включает суперпозицию, но не включает зацепление. Поэтому не является истинно квантовыми вычислениями. Квантовый отжиг потенциально полезный для оптимизационных целей, особенно для очень быстрого нахождения минимума в наборе данных», – сказал он.

Можно дискутировать о том, является ли подход D-Wave чисто квантовыми вычислениями, но компания Lockheed Martin в это верит. Она является владельцем квантовой вычислительной системы, называемой D-Wave One на базе 128-кубитного процессора. Локхид работает над проблемой, известной как верификация и валидация, чтобы разработать инструменты, которые могут помочь предсказать поведение сложных систем, например, определить, есть ли ошибки в системе, которые могут привести ее к нежелательному поведению.

Кейт Мордофф (Keith Mordoff), директор Communications Information Systems & Global Solutions в Локхид Мартин, говорит: «Да, у нас есть полностью функционирующий квантовый компьютер, который отличается от классических схем. D-Wave использует адиабатический подход, или квантовый отжиг, который задает сложную систему, чье основное состояние (состояние с наименьшей энергией) представляет решение поставленной проблемы. Сначала конструируется простая система и переводится в свое основное состояние (что сделать относительно несложно), затем она адиабатически изменяется до тех пор, пока не становится сложной. По мере того как система развивается, она остается в основном состоянии, затем просто измеряется состояние финальной системы. И оно будет ответом на поставленную проблему. Изменение от простой системы к сложной происходит за счет включения фонового магнитного поля».

Шокирующее будущее

Некоторые ученые настроены крайне скептически в отношении квантовых вычислений и сомневаются, что они получат распространение.

Артур Экерт (Arthur Ekert), профессор квантовой физики из Института математики при Оксфордском университете, говорит, что сегодня можно управлять примерно дюжиной квантовых битов, которые могут использоваться адекватно для квантовых коммуникаций и квантовой криптографии, но ни для чего более. Он отмечает, что для построения квантовых репитеров и квантовой памяти необходимо будет несколько увеличить количество кубитов, и их потребуется еще больше для защиты и коррекции квантовых данных. «Добавление еще небольшого количества кубитов позволило бы нам осуществить квантовую симуляцию некоторых квантовых явлений. Но когда этот процесс приближается к созданию «практического квантового компьютера», возникает много вопросов, как определить, что в действительности представляет собой «практический квантовый компьютер». Лучшим выходом из нашего исследования в этой области было бы открытие, что мы не можем построить квантовый компьютер по каким-то фундаментальным причинам, затем, возможно, мы могли бы изучить что-нибудь новое и что-нибудь глубокое в законах природы», – говорит Экерт.

Джилдерт добавляет, что основной областью применения квантового компьютера будет машинное самообучение, что вплотную связано с искусственным интеллектом. Для этого необходимо разрабатывать ПО, которое может обучаться на основании опыта, в противоположность современному статическому ПО. «Это радикально отличается от того, как мы используем вычисления сегодня, – говорит Джилдерт. – Смысл в том, что обучающееся ПО не является повсеместным. Когда мы более пристально рассмотрим машинное обучение, то обнаружим, что имеется несколько очень трудных и фундаментальных математических проблем, известных как оптимизационные проблемы. D-Wave строит машину, которая является попыткой решить эти трудные проблемы, открывая дверь полностью новому способу программирования и созданию полезной части кода».

Согласно Джилдерт, реальное и очень важное поле для использования обучающихся машин является медицинская диагностика. Можно вручную написать программу для распознавания новообразований на рентгеновских снимках или томограммах. Но современное ПО может только реализовать знания экспертов-онкологов. Обучающееся ПО на основании показанных программе снимков с наличием и отсутствием опухолей сможет само различать патологию от нормы.

«Маловероятно, чтобы квантовые вычисления заменили десктопы в скором времени, – говорит Джилдерт. – Если оценивать годы, то это зависит от инвестиций, фондов и людей, работающих над этой проблемой. Логично предположить, что эти машины будут служить облачными сопроцессорами в существующих ЦОД. Квантовые компьютеры очень хороши для решения специфического класса задач в области ИИ и машинного обучения, так что мы концентрируемся на создании инструментов, которые помогут использовать потенциал квантовых вычислений людям, работающим в этих областях».

По замечанию Аддисона Снелла (Addison Snell), CEO аналитической компании Intersect360 Research, сегодня квантовыми вычислениями в основном интересуются правительственные и военные исследовательские лаборатории. И хотя принципы квантовых вычислений сформулированы много лет назад, это все же полностью новая парадигма, и количество приложений, даже теоретическое, незначительно. Однако некоторые из этих приложений могут относиться к национальной безопасности, что и поддерживает высокий интерес к этой теме.

«Квантовые вычисления, конечно же, находятся в зоне внимания IBM, HP и других производителей суперкомпьютеров, но трудно сказать, как много инженеров работают над этой технологией. На данный момент неясно, будет ли квантовые вычисления играть какую-нибудь роль, кроме небольшого количества специализированных инсталляций для супервычислений. Но если и когда это произойдет, вряд ли мы увидим коммерческие продукты в ближайшие пять лет», – отмечает Снелл.

Ему возражает проф. Стэмп: «Это зависит от того, что подразумевать под работающей системой. Если вы считаете, что D-Wave построила квантовый компьютер, то мы уже имеем одну коммерческую систему. Что касается подлинного квантового компьютера, то, я думаю, мы можем говорить, что через 10 лет очень крупные компании смогут его приобрести, а через 25—30 лет – и обычные заказчики».

«Даже если квантовые вычисления подтвердят свою возможность и конкурентоспособность, я бы отложил их появление на 20 лет, поскольку они требуют построения очень сложной инфраструктуры, – говорит Майкл Питерсон (Michael Peterson), аналитик и CEO из Strategic Research Corporation. – Разработка новой технологии, подобной этой, требует «преодоления законов физики». Однако мы делали это с дисковой технологией много раз в течение последних 25 лет, и мы будем делать это и дальше».

Заключением приведенной дискуссии послужат слова Талли. «Некоторые исследователи не верят, что квантовый компьютер общего назначения будет когда-нибудь разработан, – говорит он. – Взамен этого будет выделено узкое направление использования, как, например, оптимизационная машина D-Wave. Это предполагает архитектуру, в которой традиционные компьютеры будут передавать специфические вычисления выделенному квантовому ускорителю вычислений. Вероятно, пройдет 10 лет, прежде чем такие вычисления станут доступными для широкого круга заказчиков, однако они, скорее всего, предпочтут использовать эти возможности как облачный сервис».

+44
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT