23 октября 2019 года. Первый день новой эры. Квантовый процессор Sycamore (3 фото)
Теория.
На фото - первый в мире полностью работоспособный квантовый компьютер на базе процессора "Sycamore", разработанный Google.
Впервые идея о квантовых вычислениях была высказана советским ученым Юрием Маниным в 1980 году. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов.
Также, благодаря эффекту "квантовой запутанности", изменения в состоянии одного кубита автоматически и мгновенно происходят и в других кубитах, "запутанных" с ним. Это открывает невероятные возможности в передаче данных на практически неограниченном расстоянии и без затрат времени на передачу данных. В данный момент времени эта технология ограниченно используется в оптоволоконных системах передачи данных, для защиты информации от перехвата.
Google и проект "Платан".
Проект "Sycamore" (Платан) открыт корпорацией Google около 15 лет назад. Как и некоторые другие крупные компании (Intel, IBM), Google, осознавая революционные характеристики квантового компьютера, в течение этого времени инвестировала в развитие собственного проекта сотни миллионов долларов. И, в отличие от других игроков, компания сосредоточила свои усилия на получение не экспериментальных машин для узкоспецифических вычислений, но на создании первого в мире универсального квантового компьютера, имеющего традиционную схему "hardware-software" и способную работать с различными алгоритмами вычислений.
Благодаря этому подходу, пусть и с небольшим опозданием от других, "Sycamore" продемонстрировал выдающиеся результаты: 53 кубита, 84 узловых ответвителей, частота работы системы от 5 до 7 гигагерц и 227 ЦАП на 1м чипе.
Процессор работоспособен при температуре от 0,02 Кельвина.
Возможности его поражают воображение - пространство вычислений ограничено числом 10 в 16й степени, скорость вычислений в контрольном алгоритме вычисления квантовых цепей превысила производительность суперкомпьютера Summit (IBM) В 3 000 000 РАЗ! (122,3 ПФлопс, работает в Ок-Риджской национальной лаборатории, США, самый мощный суперкомпьютер в мире по состоянию на 2019 год, цена 325 000 000 $).
Практическое применение.
1. Новый квантовый компьютер от Google является первым практически работающим квантовым компьютером, в котором удалось добиться снижения уровня "квантового шума" до таких значений, при которых затраты вычислительной мощности системы на интерпретацию результата кардинально меньше собственно полезного объема вычислений. По заявлению самого Google, фактически этот компьютер открывает возможность производства целой серии более совершенных квантовых машин со "средним квантовым шумом", каждая из которых будет на порядок производительнее предыдущей.
2. На данный момент времени, данный компьютер является единственным устойчиво и длительное время работающим устройством для практического решения следующих задач: Алгоритм Шора для факторизации целых чисел (сильная криптография типа RSA), cемплинг бозонов (моделирование и интерпретация поведения элементарных частиц), семплинг выходного распределения случайных квантовых схем.
3. Изначально данный проект разрабатывался Гуглом для оптимизации алгоритмов поиска и анализа очень больших данных в облачных хранилищах корпорации. Пока что неясно, когда именно этот или последующий квантовый "Платан" приступит к практической работе по данной теме.
4. В теории, обладание данным компьютером делает бесполезным наиболее распространенные на сегодня системы шифрования данных (криптография на закрытом/открытом ключах), а значит, что все существующие системы хранения и передачи секретной информации уже теоретически не являются устойчивыми к взлому. Более того, начало применения такой машины в открытом доступе означает разрушение и всех цифровых валют, от Биткойна до еще не созданных криптовалют, работающих на сходных алгоритмах.
5. Искусственный интеллект - квантовое превосходство характеризуется тем, что решается проблема предельного масштаба вычислительной системы, характерная для традиционных 2-ичных компьютерных систем. Таким образом, открывается путь для создания самообучающихся систем, впервые не уступающих в скорости и объеме обработки данных человеческому мозгу.
Проблемы квантового компьютера.
1. Несмотря на феноменальное ускорение квантовых вычислений на "Платане", речи о массовом внедрении этой технологии пока не идет. Сложность создания, тестирования и реализации в новых системах алгоритмов вычислений, традиционных для обычных компьютеров, велика настолько же, насколько велики получаемые бонусы от квантовых компьютеров. Фактически, квантовый компьютер требует создания новой индустрии, для чего по меньшей мере требуется доступность и универсальность этой архитектуры. Как прокомментировал этот момент Дарио Хиль, директор IBM по исследовательским работам, "Теперь нам предстоит сделать эти машины способными выполнять практические задачи. Не в этом, не в следующем году этого всё ещё не случится".
2. На данный момент времени квантовые компьютеры находятся в состоянии первых микропроцессоров - ситуация, когда железо вроде бы уже есть, а вот достаточного количества специалистов и практических задач для массового внедрения их ещё нет (помните про "домохозяйки станут покупать компьютер на перфокарте, чтобы хранить там рецепты"?)
3. Чисто технические трудности - сложность изготовления работающего прототипа такова, что каждый следующий квантовый процессор фактически - уникальный кристалл с уникальными характеристиками. Архитектура Sycamore, правда, позволяет впервые обойти технологические трудности качества производства за счет более высокой избыточности элементов и связей между кубитами. Но, до промышленного производства даже этого процессора ещё как минимум десятилетие (причем уже через пару лет он станет на порядки медленнее своих потомков).
Итак, революция произошла.
И из этой искры, возможно, разгорится пламя первого искусственного интеллекта, по размерам соответствующего пространству, занимаемому мозгом человека. Поживём-увидим!