«Кубит бедняка» может решать квантовые проблемы

Исследователи демонстрируют первое оборудование для «вероятностного компьютера».

Возможно, пройдут десятилетия, прежде чем квантовые компьютеры будут готовы решать проблемы, для которых современные классические компьютеры недостаточно быстры или эффективны, но появляющийся «вероятностный компьютер» может преодолеть разрыв между классическими и квантовыми вычислениями.

Инженеры из Университета Пердью и Университета Тохоку в Японии создали первое оборудование, чтобы продемонстрировать, как фундаментальные блоки того, что могло бы быть вероятностным компьютером, - так называемые p-биты - способны выполнять вычисления, для которых обычно обращаются к квантовым компьютерам.

Исследование представляет устройство, которое служит основой для построения вероятностных компьютеров для более эффективного решения проблем в таких областях, как создание лекарств, шифрование и кибербезопасность, финансовые услуги, анализ данных и цепочка поставок, логистика.

Современные компьютеры хранят и используют информацию в виде нулей и единиц, называемых битами. Квантовые компьютеры используют кубиты, которые являются суперпозицией нуля и единицы. В 2017 году исследовательская группа в Пердью, возглавляемая Суприе Датта (Supriyo Datta), заслуженным профессором электротехники и вычислительной техники университета Томаса Дункана, предложила идею вероятностного компьютера, использующего p-биты, которые могут быть равны нулю или единице в любой момент времени и быстро колебаться между этими значениями.

«Существует полезное подмножество задач, решаемых с помощью кубитов, которые также могут быть решены с помощью p-битов. Можно сказать, что p-бит – это «кубит бедняков», - отметил Датта.

В то время как кубиты нуждаются в действительно низких температурах для работы, p-биты работают при комнатной температуре, как современная электроника, поэтому существующие аппаратные средства могут быть адаптированы для построения вероятностного компьютера, говорят исследователи.

Команда создала устройство, представляющее собой модифицированную версию магниторезистивной оперативной памяти или MRAM, которую некоторые типы компьютеров используют сегодня для хранения данных. Технология использует ориентацию магнитного поля для создания состояний сопротивления, соответствующих нулю или единице.

Исследователи из Университета Тохоку Уильям Бордерс (William Borders), Шусуке Фуками (Shusuke Fukami) и Хидэо Оно (Hideo Ohno) изменили устройство MRAM, сделав его намеренно нестабильным, чтобы облегчить колебания p-битов. Исследователи из Пердью объединили это устройство с транзистором для создания трехполюсника, колебаниями которого можно было управлять. Восемь таких p-битных блоков были соединены между собой для построения вероятностного компьютера.

Схема успешно решила то, что часто считают «квантовой» проблемой: разложить числа, такие как 35,161 и 945, что известно как целочисленная факторизация. Эти расчеты вполне соответствуют возможностям современных классических компьютеров, но исследователи полагают, что вероятностный подход, продемонстрированный в работе, займет гораздо меньше места и энергии.

«На чипе эта схема занимает ту же площадь, что и транзистор, но выполняет функцию, для вычисления которой потребовались бы тысячи транзисторов. Она также работает таким образом, что может ускорить вычисления благодаря параллельной обработке большого числа р-биты", - сказал Ахмед Зишан Перваис (Ahmed Zeeshan Pervaiz), докторант в области электротехники и вычислительной техники в Пердью.

В действительности, для решения более серьезных задач потребуются сотни p-бит, но это не так уж и далеко, утверждают исследователи.
«В ближайшем будущем р-биты могли бы лучше помочь машине учиться, или оптимизировать маршрут доставки товаров на рынок», - сказал Керем Камсари (Kerem Camsari), постдокторант из университета Пердью в области электротехники и вычислительной техники.

Исследователи впервые продемонстрировали способ построения вероятностного компьютера. Эта схема включает в себя модифицированную версию магниторезистивного устройства памяти с произвольным доступом (красного цвета) для соединения восьми p-битов