Самый мощный квантовый компьютер 2019
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.
Американская компания Google разработала самый мощный в мире квантовый компьютер, который способен выполнять расчеты за пределами возможностей современных суперкомпьютеров. Об этом пишет издание The Financial Times со ссылкой на научный доклад корпорации.
Информация об этом ранее была опубликована в научной статье разработчиков на сайте NASA, однако позже ее удалили, сообщает издание.
В статье утверждалось, что процессор нового компьютера якобы выполнил за три минуты и 20 секунд расчеты, на которые самому мощному в настоящее время компьютеру Summit потребовалось бы 10 тыс. лет.
«Это существенное ускорение по сравнению со всеми известными классическими алгоритмами обеспечивает экспериментальную реализацию квантового превосходства в вычислительной задаче и ознаменует собой появление столь ожидаемой вычислительной парадигмы, — приводит издание цитату из доклада. — Насколько нам известно, этот эксперимент представляет собой первое вычисление, которое может быть выполнено исключительно на квантовом процессоре».
Однако пока компьютер от Google может выполнять лишь один расчет единовременно.
Пока разработчикам удастся добиться одновременного выполнения нескольких операций и решения практических задач, пройдут годы. И все же создатели признают результаты своей работы «важной вехой на пути к полномасштабному квантовому вычислительному процессу».
Рост мощи квантовых компьютеров в разы превысит показатели прогрессии, указанной в законе Гордона Мура, поясняют разработчики. Согласно нему, число транзисторов на чипе, а значит и плотность вычислений, должны удваиваться примерно через каждые два года. На данный момент прототипы квантовых компьютеров отличаются от обычных вычислительных устройств лишь скоростью, но не алгоритмом работы. Появление настоящих квантовых компьютеров же приведет к росту компьютерной мощности по экспоненте.
Обычный компьютер работает на основе транзисторов и кремниевых чипов, которые используют для обработки информации бинарный код, состоящий из нулей и единиц. Бит, как минимальная единица информации имеет два базовых состояния: 1 и 0. Изменения этих состояний можно легко контролировать: объекты могут либо находиться в конкретном месте, либо нет.
Работа же квантового компьютера будет основываться на принципе суперпозиции, а вместо битов будут использоваться 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.
С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения. Они позволят проектировать сложные системы автопилотов, моделировать молекулы ДНК, обрабатывать колоссальные массивы астрономических и физических данных и решать множество прочих задач, для которых мощностей современных компьютеров уже недостаточно.
При этом, в силу особенностей квантовой физики, результаты всегда будут не точными, а вероятностными.
Впрочем, «прогнав» одну и ту же задачу несколько раз, можно прийти к достаточно однозначному результату.
За 20 лет ученые продвинулись от 7-кубитного квантового компьютера до 72-кубитного. Одна из распространенных сложностей при разработке состоит в том, что почти любой контакт с внешней средой приводит к тому, что квантовая система становится классической, это явление называется декогеренцией. К этому приводит и взаимодействие кубитов между собой. Поэтому одна из основных задач разработчиков — как можно дольше удержать их от декогеренции.
Для квантовых компьютеров нужны и особые, квантовые языки программирования. Сегодня их уже около десятка. Впрочем, основная их цель — не столько создание инструмента для программистов, сколько предоставление средств для исследователей для облегчения понимания работы квантовых вычислений.
18 сентября 2019 года IBM анонсировала обновление своего самого мощного коммерческого квантового компьютера . Он стал быстрее почти втрое: вместо менее 20 кубитов он обладает 53-мя.
Кроме того, компания улучшила конструктивную часть чипов и обновила электронику, чтобы уменьшить вероятность ошибок в данных.
Вычислительная мощность 53-кубитовой системы будет доступна клиентам с середины октября 2019 года. Она является частью нового квантового вычислительного центра IBM в Нью-Йорке . Там также будут расположены пять компьютеров с 20-кубитным квантовым чипом , а к ноябрю 2019 года их количество увеличится до 14 штук. В IBM обещают 95% доступность своих квантовых машин и удвоенную производительность по сравнению с прежними 20-кубитными решениями, созданными в 2018 году.
К 18 сентября 2019 года ресурсами квантовых компьютеров IBM пользуются около 80 компаний (среди них — JP Morgan Chase) и исследовательских институтов. К этому времени оборудование было использовано для более чем 14 млн экспериментов в различных областях: от работы с химическим составом аккумуляторов до рынка опционов.
Что касается конкурентов, то у Google уже есть 72-кубитное устройство, но она не позволяет посторонним запускать на нем программы. Другие компании, разрабатывающие квантовые компьютеры , такие как Rigetti Computing и канадская D-Wave, также запустили свои облачные сервисы. [1]
Примечания
8 января 2019 года стало известно, что корпорация IBM представила Q System One – компактный модульный квантовый компьютер , который сами представители компании окрестили «интегрированной универсальной квантовой вычислительной системой, разработанной для научного и коммерческого применения». Система представляет собой 20-кубитное вычислительное устройство четвертого поколения, заключенное в герметичный корпус в форме куба с гранью длинной 2,75 м, который выполнен из боросиликатного стекла толщиной 1,27 см. Помимо квантового процессора в корпусе Q System One располагаются различные управляющие модули, а также система охлаждения.
Выбор материала корпуса, по данным ресурса Engadget, обоснован простотой поддержания необходимой для функционирования устройства температуры – порядка 10 милликельвинов, то есть достаточно близко к абсолютному нулю. Конструкция корпуса позволяет предохранять компоненты квантового компьютера от нежелательных вибраций, способных привести к возникновению вычислительных ошибок в процессе его работы.
Несмотря на относительную компактность модели, продемонстрировать полноразмерный работающий прототип в IBM не отважились – вместо него была представлена уменьшенная до 2,25 м версия Q System One с отсутствующей задней панелью, за которой скрываются модули охлаждения, питания и управления, а также без защитного «колпака», под которым прячется собственно квантовый компьютер . Тем не менее, по словам Боба Сатора (Bob Sutor), вице-президента IBM Research, у IBM есть «полностью работоспособный» прототип Q System One в Йорктаун Хайтс ( Нью-Йорк , США ), который на январь 2019 года уже применяется при проведении экспериментов.
Компания также планирует открыть центр квантовых вычислений в Покипси ( Нью-Йорк , США ) для работы над усовершенствованной версией Q System One. Создатели еще не решили, подвергнется ли переработке йорктаунский прототип или изделие будет собираться «с нуля». [1]
14 декабря 2017 года стало известно о том, что корпорация IBM выбрала 12 компаний для апробации своей квантовой компьютерной технологии. В рамках программы под названием Q Network компания IBM через облако предоставит партнерам доступ к своей вычислительной машине мощностью 20 кубитов ( квантовых битов ).
По данным Bloomberg, опробовать возможности квантового компьютера IBM смогут банки JPMorgan Chase & Co. и Barclays, автопроизводители Daimler и Honda Motor , южнокорейский технологический гигант Samsung Electronics , химические компании JSR и Nagase, производитель специализированных сплавов Hitachi Metals и другие. В числе задач, для которых может использоваться квантовый компьютер — создание новых химических катализаторов и разработка новых материалов с необычными свойствами.
Квантовый компьютер IBM теоретически способен выполнять более 1 млн вычислительных операций одновременно. Пока эта и другие подобные системы уступают традиционным суперкомпьютерам, которые могут выполнять десятки тысяч триллионов операций в секунду. Кроме того, квантовые компьютеры во время вычислений допускают ошибки, что может сделать результаты непригодными для практического применения.
Впрочем, в перспективе квантовые вычислительные системы должна будут превзойти суперкомпьютеры. Позволяя партнерам оценить возможности новой технологии, IBM рассчитывает, что в будущем, когда появятся более мощные устройства, компании будут готовы перейти на нее.
В JPMorgan заявили, что планируют воспользоваться предложением IBM и изучить, возможно ли использовать квантовые компьютеры для оценки трейдинговых стратегий, стоимости активов и анализа рисков.
В Daimler отметили, что хотят исследовать, как квантовые компьютеры могут помочь в усовершенствовании производственных процессов, построении маршрутов для беспилотных автомобилей и разработке новых материалов для автомобильной промышленности.
В Samsung обещали рассмотреть применение квантовых компьютеров в полупроводниковом производстве, а JSR — в химическом. [2]
10 ноября 2017 года на конференции IEEE Industry Summit ( Вашингтон , США ), посвященной будущему компьютерных технологий, компания IBM объявила о создании рабочего прототипа 50-кубитного квантового компьютер , который тем самым стал самым большим и мощным в своем классе к моменту анонса. Планируется, что в будущем вычислительные возможности 50-кубитного компьютера станут доступны из облака в рамках проекта IBM Q.
Кроме того, IBM собирается до конца 2017 года предоставить пользователям доступ к 20-кубитной системе в облаке, которая позволит осуществлять вычисления при когерентности в 90 микросекунд (когерентность — это свойство кубитов находиться в нескольких состояниях одновременно). Это время кажется небольшим, однако оно является рекордным для отрасли, где одной из самых больших проблем является поддержание жизни кубитов .
Как отмечается, на увеличение времени когерентности для 20-кубитного процессора у IBM ушло полгода — в результате удалось добиться удвоения показателя по сравнению с 5- и 16-кубитными моделями, доступными пользователям. На 2018 год запланированы работы по дополнительной модификации 20-кубитной версии.
Как отметил профессор Университета Мэриленд Эндрю Чайлдс (Andrew Childs) изданию MIT Tech Review, IBM еще не опубликовала детали своего нового квантового компьютера в журнале, рецензируемом специалистами в данной области.
Мощный квантовый компьютер , подобный тому, который создала IBM, имеет очень вычислительную мощность при выполнении конкретных типов заданий. Такое оборудование может быть полезно при имитации химических взаимодействий на субатомном уровне и других сложных операций.
Как отмечает издание Futurism, компания IBM добилась значительных успехов в области квантовых вычислений с тех пор, как ее исследователи помогли создать поле квантовой обработки информации. Но IBM не единственна, кто участвует в гонке по созданию рабочих квантовых компьютеров . Google и Intel также разрабатывают собственные квантовые вычислительные системы, американский стартап Rigetti обещает произвести революцию в этой области, а канадская компания, специализирующаяся на квантовой вычислительной технике, D-Wave к ноябрю 2017 года разработала пару квантовых компьютеров , которые были использованы NASA и Google .
Ученые компании IBM составили математическую модель молекулы химического вещества и произвели расчеты этой модели при помощи имеющегося в их распоряжении квантового компьютера . "Сердцем" этого квантового компьютера является процессор с семью квантовыми битами , кубитами , а рассчитанная модель молекулы является моделью молекулы гидрида бериллия (BeH2), моделью самой сложной на сегодняшний день молекулы, рассчитанной на квантовом компьютере . Данное достижение является демонстрацией возможности использования квантовых вычислительных систем для углубленного изучения процессов и явлений, происходящих во время сложных химических реакций, что в будущем может привести к ряду прорывов и достижений в области химии, материаловедения, медицины и т.п.
"Мы ожидаем, что в течение нескольких следующих лет возможности квантовых вычислительных систем IBM Q намного превзойдут возможности даже самых мощных современных суперкомпьютеров" - рассказывает Дарио Джил (Dario Gil), вице-президент IBM Research, курирующий направление развития систем искусственного интеллекта и квантовых вычислений , - "И эти квантовые компьютеры станут незаменимым инструментом для проведения исследований в таких областях, как химия, биология, здравоохранение и материаловедение"
В марте 2017 года IBM анонсировала, как утверждает компания, первый в мире коммерческий сервис квантовых вычислений . Программа под названием IBM Q запущена в облачной инфраструктуре IBM Cloud.
В рамках IBM Q будут предоставляться сервисы и услуги консалтинга подобно тому, как это делается на платформе IBM Watson . Только в случае с новым проектом будут использоваться не традиционные компьютеры, а квантовые.
Квантового компьютера с 50 кубитами хватит для практической разработки алгоритмов и решения важных проблем, говорит вице-президент и технический директор по квантовым вычислениям в подразделении IBM Systems Скотт Кроудер (Scott Crowder). Более быстрые системы помогут открыть новые методы использования квантовых компьютеров , о которых ранее и не подозревали ученые, добавил он.
Программа IBM Q позволит пользоваться большими возможностями квантовых вычислений на коммерческом уровне для решения практических задач из области науки и бизнеса. Такие компьютеры, к примеру, помогут в поиске новых молекулярных структур, оптимизации логистики, финансовом моделировании, развитии искусственного интеллекта и защите информации.
В 2017 году IBM выпустит программный инструментарий, необходимый для разработки квантовых приложений. Разработчики получат новые API-интерфейсы, помогающие связать квантовые вычисления с классическими без глубоких знаний в квантовой физике.
К марту 2017 года клиенты IBM могут бесплатно пользоваться 5-кубитным квантовым компьютером в качестве публичного облачного сервиса. Его возможности задействовали 40 тыс. пользователей более чем в 200 тыс. экспериментов и 15 научно-исследовательских работах, рассказали в IBM. [4]
Американская Google создала самый мощный в мире квантовый компьютер, способный на порядки быстрее проводить вычисления, чем Summit от IBM, считающийся мощнейшим в мире суперкомпьютером, сообщает Financial Times.
Британская газета пишет, что расчет, на выполнение которого устройству от IBM требуется 10 тысяч лет, компьютер от Google совершил за 200 секунд, а данная информация, впервые опубликованная в научном докладе на сайте НАСА, впоследствии была удалена. Отмечается, что в настоящее время квантовый компьютер от Google способен выполнять только один технический расчет, а к решению практических задач устройство будет готово через несколько лет.
«Насколько нам известно, проведенный эксперимент представляет первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре», — цитирует издание материал. Там же говорится, что «такое серьезное ускорение по сравнению с известными классическими алгоритмами обеспечивает экспериментальную реализацию квантового превосходства в вычислительной задаче».
Газета пишет, что разработчики Google назвали свой компьютер «важной вехой на пути к полномасштабному квантовому вычислительному процессу», и предсказали, что увеличение мощи квантовых компьютеров в разы превысит показатели прогрессии, фигурирующей в законе Гордона Мура.
Financial Times указывает, что Google отказался от соответствующих комментариев.
Материалы по теме
Бог в помощь
Как телепортация сохранит России триллионы долларовВ ноябре 2017 года руководитель направления квантовых компьютеров IBM Дарио Гил сообщил, что разработчики создали работающий прототип вычислительной машины мощностью 50 кубитов (квантовых битов).
В классическом компьютере информация представлена с помощью битов, принимающих только значения 0 или 1. В квантовом компьютере понятие (классического) бита обобщается до квантового бита (кубита), принимающего бесконечное число значений, каждое из которых является квантовой суперпозицией базисных состояний 0 и 1 (пара значений квантовой характеристики частицы, например, атома, электрона или фотона, в частности, ориентация спина). Физическими носителями в таком устройстве выступают, например, специальные сверхпроводящие твердотельные материалы, частицы в которых могут быть приведены в особое возбужденное (квантовое) состояние, идентифицируемое как состояние кубита. Управлять подобным материалом (и квантовыми состояниями) можно, например, лазером.
2019 год стал для отрасли квантовых компьютеров по-настоящему прорывным. В этом году компания IBM представила миру первый коммерческий квантовый компьютер, а Google заявила, что достигла квантового превосходства. Не менее впечатляющими стали многочисленные исследования, проведенные научно-исследовательскими институтами и университетами по всему миру. От варп-двигателей до путешествий во времени – ученые из разных стран публиковали один научный доклад за другим. Попробуем оглянуться назад и вспомнить, что принес уходящий год.
В самом начале 2019 года, пока большинство из нас еще не задумывалось о реализации данных в конце года оптимистичных обещаний, IBM уже грелась в лучах славы. И не удивительно, ведь на выставке CES-2019 компания представила фактически первый в мире коммерческий квантовый компьютер. Конечно, приобрести его было нельзя, однако ученым и компаниям было предложено арендовать компьютер в квантовом центре IBM. Выглядела представленная модель внушительно и представляла собой герметичный корпус в форме куба с гранью в 2,75 м, выполненного из боросиликатного стекла толщиной 1,27 см. Помимо квантового процессора в корпусе Q System One располагаются различные управляющие модули, а также система охлаждения. Несмотря на то, что это событие относится, скорее, к области эстетики и дизайна, нежели к физике и разработкам, его можно назвать поворотным моментом в отрасли. Ведь если раньше квантовые компьютеры представлялись нам чем-то непонятным и теоретическим, существующим лишь в сердцах и умах фанатов физики, то IBM продемонстрировала вполне осязаемый квантовый компьютер, который, хотя и не внес существенных изменений в квантовую отрасль, навсегда вошел в ее историю.
Следующим значимым событием стало исследование ученых австралийского университета имени Гриффита и Наньянского технологического университета в Сингапуре, разработавших фотонный квантовый процессор, потенциальные результаты решения в котором отображаются местоположением фотонов – квантовых частиц света. Другими словами, ими был создан квантовый оракул, функционирующий на базе искусственного интеллекта. Пока компьютер предсказывает две суперпозиции для 16 различных возможностей, главным образом пытаясь вычислить, куда направляется отдельный фотон, однако дальнейшие разработки могут превратить его в настоящий инструмент супергероев.
Весной 2019 года был найден необычный способ влияния на свойства хранения информации в металлическом сплаве. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории в США и Фуданьского университета в Китае обнаружили в сплаве кобальта и железа, используемом для изготовления жестких дисков, удивительный квантовый эффект. Новый эффект позволит усилить контроль над магнитными свойствами определенных материалов, что в дальнейшем может использоваться в разработках более мощных и эффективных материалов для хранения данных – своеобразных квантовых дисков.
Еще один важный вывод, к которому пришли ученые в этом году – то, что определенные квантовые частицы способны к регенерации. Специалисты Мюнхенского технического университета и Института имени Макса Планка провели эксперименты, в результате которых было установлено, что некоторые квазичастицы, по сути, являются бессмертными. Стоит ли говорить, что это имеет огромное значение не только для квантовых компьютеров, но и для всего человечества.
Путешествия во времени не только возможны – скорее всего, на них способны все квантовые компьютеры, только не в совсем общепринятом смысле. Еще одной международной команде ученых-физиков удалось поместить молекулу в состояние квантовой суперпозиции. То есть, по сути, молекула находилась в двух состояниях одновременно. Конечно, пока это оказалось возможным только с молекулой, однако вполне возможно, что в будущем люди научатся помещать в квантовые состояния оборудование, автомобили и даже самих себя.
Сколько же времени пройдет до того, как квантовые компьютеры будут способны на что-то серьезное? Ответ на этот вопрос может оказаться очень неожиданным – на самом деле, уже сейчас мы можем жить внутри квантового компьютера. По мнению физиков из Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта, вся наша Вселенная может быть частью огромной космической квантовой компьютерной системы, разработанной для…кто знает, возможно, это станет известно в 2020 году.
Несомненно, открытий, исследований и научных работ в сфере квантовых компьютеров в уходящем году было намного больше, и его по праву можно назвать лучшим в истории квантовой физики с того момента, как Эйнштейн начал размышлять о реальности. Что принесет 2020, покажет время.
Читайте также: