Квантові обчислення: сьогодення і майбутнє

6 листопада
Хуан Пабло Федеріко, розробник у DataArt
Квантові обчислення: сьогодення і майбутнє
Згідно з парадоксом Шредінгера (1935 р.), кота, колбу з отрутою та радіоактивне джерело поміщено в герметичний ящик. Якщо внутрішній монітор виявляє радіоактивність, колба розбивається, вивільняючи отруту, що вбиває кота. Інтерпретація квантової механіки має на увазі, що за деякий час кіт буде водночас живим і мертвим. Але коли дивишся в ящик, бачиш кота живим чи мертвим, а не живим і мертвим водночас. Це означає, що при взаємодії з навколишнім середовищем ми змінюємо квантові закони. Вибачте… ЩО?

Я розумію, це здається жартом, але запевняю, що цей парадокс заклав наріжний камінь у розвиток знайомої нам сьогодні квантової обробки даних. Магія, що лежить в основі квантових обчислень, полягає в концепціях квантової механіки, які можна застосувати для підвищення продуктивності обробки. Тут задіяні дві ключові концепції: суперпозиція станів і квантова заплутаність.

Щоб краще зрозуміти ці концепції, необхідно розглянути, як працює традиційний комп'ютер. Біт — найменша одиниця вимірювання, що містить одне двійкове значення 1 чи 0, з яким можна виконувати різні логічні операції, — тобто І, НЕ, ЧИ, ЧИ, що виключає ЧИ, тощо. Це лінійна залежність (n = n), бо кількість можливих станів не залежить від кількості представлених бітів.

На відміну від цього, квантовий біт не лише приймає значення 1 чи 0 як нормальний біт, але також може бути 1 І 0 (наприклад, 70 % = 1 і 30 % = 0) у 30 %. Проблема виникає, коли ви хочете прочитати його значення: можна отримати тільки 1 чи 0 (як у згаданому вище парадоксі Шредінгера). При суперпозиції можливі стани представлення ростуть експоненціально зі збільшенням кількості кубітів. Аналогічно, при заплутаності можна утримувати відношення кубітів постійними, а операції в одному з них примусово діють на інші.

Quantum

КВАНТОВІ ОБЧИСЛЕННЯ В НАШІ ЧАСИ

Наразі багато компаній інвестують частину бюджету в розвиток таких технологій, намагаючись поступово їх удосконалювати, тобто збільшувати кількість кубітів у розроблюваних ними квантових процесорах. Сучасні квантові процесори, що містять до 60 кубітів, виконують задачі менш ніж за 3 хвилини. Для порівняння, на виконання тих самих задач найпотужнішому суперкомп'ютеру, який ми сьогодні маємо, знадобилося б 10 000 років. До того ж очікується, що до 2023 року будуть розроблені процесори, що містять понад 1000 кубітів.

Ці події знайомі багатьом як Друга квантова революція, а Перша квантова революція була тією, що давним-давно позначила віхи квантової механіки завдяки серії поглиблених досліджень — але не обов'язково точних.

Ще один важливий момент — хмарні квантові обчислення (Cloud Quantum Computing), де будь-яка людина в будь-який локації може надіслати задачі, які необхідно обробити у квантовому процесорі, та миттєво отримати результат, тобто відбувається злиття різних концепцій: хмарних обчислень, передачі й перетворення інформації з традиційних систем у квантові, та навпаки.

ДЕЯКІ ГАЛУЗІ, ЩО СТОСУЮТЬСЯ РОЗВИТКУ КВАНТОВИХ ОБЧИСЛЕНЬ

  • ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ. У другій половині XX століття були розроблені теоретичні моделі AI, але тоді вони застрягли у часі через відсутність відповідних технологій. Наразі обчислювальна потужність значно зросла та продовжує зростати. Це дозволяє домогтися значного прогресу, наприклад, за допомогою корисних застосунків фінансів, маркетингу, медицини, логістики, авіації, біометрії та багатьох інших. Однак, коли йдеться про дуже складні моделі для передбачення та/або реконструкції певних патернів з високим відсотком ефективності, обмеження для обчислень досі існують.

Наочний приклад — шахова партія: важко виграти в робота-суперника, але немає такого поняття як на 100 % ефективний робот, і це пов'язано з великою кількістю змінних (10^50 можливих позицій). Однак з розвитком технології квантових обчислень створення робота, здатного прорахувати всі можливі позиції, припинило бути утопією.

До того ж експоненціальне зростання швидкості обробки та можливих комбінацій, які пропонують квантові обчислення, означає розв’язання проблем, що наразі неможливо розв’язати, бо вони вимагають величезної обчислювальної потужності чи нових відкриттів, пов'язаних з обробкою природної мови. Крім того, ми можемо дати практичну відповідь на теоретичні запитання чи навіть на запитання з розряду наукової фантастики.

  • КРИПТОГРАФІЯ ТА КІБЕРБЕЗПЕКА. Варто підкреслити, що наразі кубіти є вигіднішими за біти через кількість різних комбінацій — до такої міри, що квантова машина з 300 кубітами зможе представляти більше значень, ніж атомів у Всесвіті. Таким чином, зашифровані файли можна було б розшифрувати методом підбору (brute force) протягом порівняно короткого періоду часу. Сьогодні існує спільнота, відповідальна за створення та пропозицію постквантових алгоритмів, щоб не допустити порушення заходів безпеки через надмірну пропускну здатність. Існує довгострокова потенційна загроза з точки зору кібербезпеки, яку необхідно усунути в найкоротший термін, привівши системи безпеки у відповідність із новою парадигмою.
  • МАТЕМАТИКА. Як згадувалося вище, збільшення обчислювальної потужності може зробити теоретичні концепції реальністю. Тепер, коли будь-яку несподівану й немислиму межу обчислень можна перевищити, єдиною межею є уява математиків. Наприклад, ми могли б вивчити всі десяткові розряди пі, дізнатися кожне просте число (якщо вони обмежені чи досі невідомі) та розв’язати багато з так званих “задач тисячоліття”, наприклад, питання рівності класів P і NP, яке, якщо коротко, полягає в обчисленні результату факторіала 70 (70!), завеликого числа.
  • АСТРОНОМІЯ. Перше приземлення людини на Місяці, знаменна подія в історії, була досягнута частково завдяки традиційним обчисленням (навіть при меншій обчислювальній потужності, ніж та, яку може забезпечити звичайний домашній обчислювальний процесор). Дуже цікаво, куди квантові обчислення занесуть нас у майбутньому, не тільки на фізичному рівні, але й відкриють невідомі та недосяжні області.
  • КВАНТОВИЙ ЗВ'ЯЗОК. Квантову телепортацію в космос успішно здійснили; але на впровадження цієї концепції знадобиться більше часу, ніж на інші вищезгадані ідеї. Це не означає, що концепція є менш важливою чи менш реальною. У майбутньому стане дуже актуальним розгляд властивостей квантової механіки та, більш конкретно, властивостей квантових обчислень, щоб розгорнути квантові мережі (які зазвичай називають “квантовим інтернетом”) як альтернативну телекомунікаційну систему. Ідея полягає у з'єднанні “квантових вузлів”, що використовуються як ретранслятори, для доставки повідомлення від А до В через вузли, аналогічно чинним концепціям телекомунікаційних систем, але швидше та безпечніше. Для впровадження цієї нової технології та досягнення детерміністичних результатів при кожній передачі інформації необхідно глибоко знати властивості квантової механіки.

КВАНТОВІ ОБЧИСЛЕННЯ НЕ ЗАМІНЯТЬ ТРАДИЦІЙНИХ ОБЧИСЛЕНЬ

Нарешті, слід зазначити, що квантові комп'ютери використовуються спільно з традиційними, а нові не замінять старі — принаймні в середньостроковій перспективі, оскільки і ті, і інші мають особливості.

Усі ознаки вказують, що на ранніх стадіях упровадження квантової технології на ринок акцент з логічних причин робитиметься на її сумісність з традиційними обчисленнями — здебільшого системи зберігання інформації, системи програмного й апаратного рівня наразі створюються на основі традиційної парадигми. У короткостроковій перспективі, щоб полегшити цей перехід, очікується поява “проміжного програмного забезпечення” чи “проміжних систем”. Таким чином, квантові комп'ютери обробляють задачі, проміжне ПЗ переводить результати кубітів у біти, інформація надсилається на традиційні комп'ютери в сумісній формі.

При такій архітектурі більш традиційним обчислювальним інструментам не потрібно знати, що за цим стоїть чи хто відповідає за обробку; їм просто потрібно надіслати замовлення або вказівки квантовому процесору, щоб той міг виконувати відповідні задачі, а після цього — дочекатися загальноприйнятих результатів у бітах, переведених проміжною системою. Ця продуктивність є аналогічною поточній продуктивності квантових комп'ютерів, що обслуговуються із хмари.

  • Україна, Дніпро; Україна, Київ; Україна, Львів; Україна, Одеса; Україна, Харків; Україна, Херсон
    3 грудня