Apa yang bisa komputer kuantum

Fisika kuantum lahir pada tahun 1900, ketika Max Planck menyarankan bahwa energi tidak diserap terus menerus, tetapi dalam bagian yang terpisah - kuanta. Gagasannya dikembangkan lebih lanjut: efek fotolistrik Einstein, teori atom Bohr, Rutherford secara eksperimental menunjukkan seperti apa bentuk inti atom, Louis de Broglie menghapus batas antara gelombang dan materi, Heisenberg dan Schrödinger mengembangkan mekanika kuantum.

Sulit untuk memahami fisika kuantum - alat matematikanya hampir tidak mungkin diterjemahkan ke dalam bahasa "manusia". Tetapi untuk "menyentuh" ​​manifestasinya dalam kehidupan sehari-hari adalah sangat nyata: laser, flash drive, compact disc, sirkuit terintegrasi atau graphene - semua teknologi ini telah muncul berkat fisika kuantum. Adalah logis bahwa mereka memutuskan untuk menggunakannya untuk perhitungan - di komputer kuantum.

Komputer Quantum pada dasarnya berbeda dari komputer biasa: mereka memproses informasi dengan urutan lebih cepat, dan memori mereka lebih eksponensial. Sudah sekarang, sampel eksperimental memecahkan beberapa masalah lebih cepat daripada superkomputer paling kuat. Prospek untuk memperkenalkan komputer kuantum memberi isyarat. Dengan bantuan mereka, Anda dapat membuat obat baru, bahan komposit lebih kuat dari titanium dan lebih ringan daripada plastik, superkonduktor yang bekerja pada suhu kamar, mencapai keamanan enkripsi absolut atau mengembangkan kecerdasan buatan universal. Namun dalam kenyataannya, semuanya tidak begitu cerah. Ini karena kita belum memahami apa yang dapat dilakukan komputer kuantum.


Anatoly Dymarsky (Skoltech) adalah seorang ahli fisika teoritis yang bekerja di bidang fisika sistem kuantum. Anatoly akan memberi tahu bagaimana komputer kuantum berbeda dari yang biasa dan apa yang dijanjikan oleh industri TI.

Bagaimana cara kerja komputer biasa?

Untuk menjelaskan apa itu komputer kuantum dan cara kerjanya, Anda harus mulai dari jauh dan memberi tahu cara komputer biasa bekerja. Pengoperasian komputer konvensional ditentukan oleh dua parameter: memori, kecepatan perhitungan.

Memori adalah karakteristik utama dari sistem komputasi. Komputer dapat membaca, menulis, dan memproses informasi yang disimpan dalam memori.

Komputer melakukan operasi yang paling sederhana: penggandaan, pengurangan, penambahan angka. Jika Anda melakukan operasi ini banyak dan cepat, maka Anda dapat menggabungkannya ke dalam program yang memproses informasi. Ini adalah cara kerja database, pencarian, atau jaringan saraf. Kecepatan perhitungan atau kecepatan eksekusi operasi (FLOPS) penting di sini .

Ada parameter (tambahan) ketiga - determinisme,karakteristik umum untuk semua sistem komputasi. Ini berarti bahwa semua mesin bekerja sesuai dengan program yang unik - nol selalu nol, dan satu unit jelas merupakan unit. Tidak ada interpretasi lain yang disediakan dan tidak ada unsur ketidakpastian.

Ketidakpastian hanya dapat diperkenalkan pada tingkat input, misalnya, dengan angka acak. Input mungkin acak, tetapi program selalu dengan jelas memproses semua data yang masuk.

Bagaimana cara kerja komputer kuantum?

Ini bekerja secara berbeda - dengan logika yang secara intuitif tidak dapat dipahami. Seperti yang biasa, ia melakukan perhitungan, tetapi didasarkan pada hukum mekanika kuantum .

Dunia klasik dan mekanika klasik bersifat deterministik. Ini berarti bahwa nilai register memori apa pun di komputer selalu 0 atau 1, dan plat selalu utuh atau rusak.

Dalam sistem mekanika kuantum tidak ada kejelasan seperti itu, tetapi ada kemungkinan yang menentukan esensinya. Pertanyaan yang tepat di sini adalah: berapa probabilitas bahwa pelat rusak atau utuh, berapa probabilitas bahwa nilai register adalah 0 atau 1?


Probabilitas adalah konsep penting pertama dalam mekanika kuantum . Dari sudut pandang mekanika kuantum, pelat Schrödinger utuh dan pecah. Ada kemungkinan tertentu bahwa mereka utuh, dan beberapa kemungkinan mereka rusak. Ketidakpastian ini mencerminkan dunia fisik nyata.

Pada tingkat klasik, ketidakpastian menyamarkan ketidaktahuan kita. Misalnya, ketika kita membeli tiket lotre Sportloto, kita cenderung menang karena kita tidak tahu nomor pemenangnya.

Untuk fisika klasik, lotre bukanlah proses probabilistik. Anda selalu dapat menggambarkan gerakan tangan yang meluncurkan drum, kecepatan dan lintasan setiap bola. Secara teoritis, Anda dapat menebak angka yang menang (meskipun dalam praktiknya sulit). Dalam mekanika kuantum, bahkan secara teoritis, orang tidak dapat menebakapa yang akan terjadi detik selanjutnya Kami hanya dapat memprediksi ini dalam hal probabilitas.

Konsep kedua adalah prinsip superposisi . Bit reguler hanya ditemukan pada nilai 0 atau 1. Dalam komputer kuantum tidak ada bit biasa, tetapi ada bit kuantum - qubit . Bit kuantum dalam keadaan 0 atau 1 dengan beberapa probabilitas. Qubit dapat secara bersamaan di negara-negara ini, apalagi, dalam kombinasi yang berbeda - dalam superposisi negara-negara ini.

Ketika sistem (qubit) secara bersamaan dalam keadaan 0 atau 1, kita hanya dapat berbicara tentang probabilitas. Jika ada banyak negara, sistem secara bersamaan di semua negara yang memungkinkan, tetapi dengan probabilitas yang lebih rendah untuk masing-masing negara. Ini pada dasarnya penting.

Dalam program klasik, pada setiap momen waktu tertentu, setiap baris program bekerja dengan sel memori tertentu. Dalam mekanika kuantum, Anda dapat bekerja dengan semua sel memori secara bersamaan .

"Memori" komputer kuantum

Apa perbedaan utama antara memori komputer kuantum dan klasik? Di komputer biasa, kami menulis angka dalam kode biner. Sebagai contoh, angka 8 dalam sistem biner terlihat seperti 00001000, dan 4 bit sudah cukup untuk menuliskannya.

Di komputer kuantum, qubit dalam kondisi 0 atau 1 dengan beberapa probabilitas. Probabilitas adalah angka. Untuk menulis angka tunggal dengan ketepatan tak terbatas, Anda membutuhkan jumlah bit yang tak terbatas. Oleh karena itu, secara teori, satu qubit adalah sistem fisik dengan jumlah memori yang tak terbatas .

Dalam praktiknya, metode pengukuran memiliki akurasi terbatas. Kami berasumsi bahwa itu sesuai dengan mesin biasa (float). Ternyata qubit berisi dua angka: probabilitas bahwa qubit dalam keadaan 0 dan dalam keadaan 1.

Catatan: untuk kesederhanaan, kami mengabaikan bahwa jumlah probabilitas qubit dalam status 0 dan 1 harus sama dengan satu. Kesimpulan utama tidak tergantung pada penyederhanaan.

Satu qubit sesuai dengan dua bilangan real (float). Ini adalah kemenangan besar, karena untuk dua bilangan real pada komputer biasa Anda memerlukan dua kata mesin - 128 bit biasa, dan kami berhasil dengan satu kuantum. Tampaknya komputer kuantum 128 kali lebih baik dari biasanya. Tapi ini tidak benar.

Komputer kuantum secara eksponensial lebih baik dari biasanya.

Satu qubit adalah 2 bilangan real. Dua qubit - 4 bilangan real. Tapi delapan qubit adalah 256 konfigurasi potensial dari delapan nol dan satu - dua ke kekuatan kedelapan.

Untuk satu qubit, gainnya 128 kali, dan untuk delapan qubit itu jauh lebih besar - 256 * 128. Sistem n qubit dalam memori setara$$$2^n$ bilangan real

Kapasitas memori kuantum tumbuh secara eksponensial.

Memori laptop biasa setara dengan 15 qubit, 40 qubit sama dengan memori pusat data paling kuat, dan 50-60 qubit melebihi memori total semua pusat data di seluruh dunia.

Tiga hingga empat qubit setara dengan peningkatan memori klasik biasa sebanyak 10-20 kali. Memori kuantum jauh lebih luas daripada metode klasik lainnya dalam merekam informasi. Ini adalah potensi utama komputasi kuantum.

Tetapi peningkatan eksponensial dalam kapasitas memori kuantum menyebabkan masalah dimensi . Karena kutukan dimensi, sulit untuk menggambarkan sistem kuantum pada komputer klasik - semakin banyak memori yang diperlukan.

Tugas apa yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum?

Jika dunia kuantum beroperasi pada tingkat ketidakpastian, bagaimana mungkin menghitung apa pun? Mekanika kuantum memiliki sifat probabilistik, dan kami membutuhkan jawaban yang pasti. Bagaimana semuanya akan bekerja jika Anda hanya perlu mengalikan dua angka?

Saya akan menjelaskan dengan contoh masalah NP kelas , yaitu, masalah solvabilitas yang solusinya tidak dapat ditemukan dalam waktu polinomial - dalam hal apapun, dengan asumsi$$$P\neq NP$. Namun, kebenaran solusi dalam waktu polinom dapat diverifikasi. Ini mirip dengan memecahkan kunci tertutup: kita tidak tahu cara menggunakan kunci utama, tetapi kita dapat dengan cepat memeriksa kunci apa saja, jika ada.

Berkat prinsip superposisi, sistem kuantum segera di semua negara dan sedang mencari opsi terbaik. Sistem tidak memberikan jawaban yang pasti, tetapi meningkatkan kemungkinan bahwa opsi terbaik adalah solusi. Ketika sistem berhenti pada beberapa solusi, kita dapat dengan cepat memeriksa kebenarannya.

Jika ternyata jawabannya salah, nyalakan kembali komputer kuantum. Probabilitas mendapatkan jawaban yang benar adalah lebih dari 50%, dan seringkali jauh lebih banyak. Jadi, dalam 2-4 dimulai dari algoritma kuantum, kita mendapatkan jawaban yang benar.

Kami tidak akan memiliki jawaban yang pasti, tetapi hanya kemungkinan mendapatkan jawaban yang benar. Tetapi probabilitas ini sangat tinggi. Faktanya, kita hanya menebak-nebak, tetapi tidak dengan alasan kopi, tetapi pada yang ilmiah. Dalam beberapa iterasi, kami akan menemukan jawabannya dan memverifikasi bahwa itu benar.

Parameter Komputer Kuantum

Komputer klasik memiliki dua parameter kualitas: jumlah memori dan jumlah operasi. Dengan komputer biasa, kami menganggap secara default bahwa kami memiliki akses ke semua lokasi memori untuk menulis dan membaca.

Dalam kasus kuantum, ada tiga parameter.

Jumlah memori atau jumlah qubit . Semakin banyak memori, semakin baik? Untuk komputer kuantum, tidak - ketika kita menambah jumlah qubit, kompleksitas sistem kuantum tumbuh. Sistem menjadi sulit dipertahankan dalam keadaan terisolasi.

Waktu operasi atau jumlah operasi berurutan (koherensi). Sistem harus dipertahankan dalam keadaan terisolasi - dalam fisika ini disebut koherensi. Jika kita membiarkan sistem kuantum berinteraksi dengan lingkungan, maka ini akan menghancurkan keadaan sel-sel memori kuantum. Alih-alih nol dan yang akan ada hanya kebisingan.

Kami mencoba untuk menjaga sistem tetap terisolasi selama mungkin. Tetapi semakin banyak operasi kuantum yang kami lakukan, semakin banyak waktu yang dihabiskan untuk mereka, yang berarti semakin sulit untuk mempertahankan sistem dalam keadaan terisolasi.

Catatan: di sini jumlah operasi bukan per detik, tetapi untuk seluruh waktu operasi sistem.

Suatu paradoks muncul: semakin banyak qubit, semakin sedikit operasi yang tersedia . Oleh karena itu, waktu di mana Anda dapat menjaga sistem tetap terisolasi dan melakukan sejumlah operasi tertentu adalah parameter penting.

Bayangkan komputer biasa di mana tidak ada pendingin. Sampai komputer kepanasan, dia punya waktu untuk menghitung sesuatu, dan kemudian dia mati. Kira-kira hal yang sama terjadi di komputer kuantum. Itu tidak memiliki "kipas": semakin banyak bekerja, semakin panas sampai runtuh. Karena itu, ada batasan jumlah operasi.

Keuniversalan. Di komputer klasik, operasi apa pun tersedia: multiplikasi, pembagian, pengurangan. Secara teoritis, dalam kuantum juga. Namun dalam praktiknya, jauh lebih mudah untuk melakukan operasi hanya dengan qubit tetangga, yang terletak pada garis lurus, dalam larik persegi atau persegi panjang. Untuk bekerja dengan semua qubit, diperlukan arsitektur yang sangat kompleks - dalam praktiknya, mereka masih tidak tahu caranya.



Ketiga wilayah tersebut saling bertentangan. Kita dapat meningkatkan satu, tetapi ini akan terjadi karena memburuknya dua lainnya. Sekarang karena teknologi ini dalam masa pertumbuhan, beberapa platform prototipe dapat dibedakan, dan masing-masing dari mereka berusaha untuk meningkatkan kinerja satu arah dengan mengorbankan dua lainnya.

Prototipe

Saya akan menyoroti tiga prototipe yang sedang dikerjakan perusahaan besar. Google, IBM, Intel, Microsoft berinvestasi dalam pengembangan komputer kuantum. Bersama-sama, mereka telah menginvestasikan lebih dari $ 500 juta dalam pengembangan, laboratorium, dan pusat penelitian.

Komputer klasik pertama menempati seluruh ruangan, bekerja pada tabung vakum dan sangat panas sehingga mereka membutuhkan pendinginan kuat terpisah. Komputer kuantum sangat mirip dengan mereka - ini adalah kabinet setinggi 3 meter, yang sebagian besar ditempati oleh sistem pendingin. Komputer mendingin pada suhu mendekati nol mutlak sehingga sistem kuantum dapat melakukan fungsi komputasi mereka.

Komputer kuantum universal

Ini adalah mesin universal dari Google dan IBM dengan sekitar 20 qubit memori. Mereka melakukan operasi apa pun, karena universalitas lengkap tersedia dengan jumlah qubit yang relatif sedikit, dan kemudian muncul batasan praktis. Mungkin dalam setahun orang akan belajar cara bekerja dengan 30-40 qubit.

Komputer kuantum universal dapat menerapkan algoritma kuantum arbitrer, misalnya, algoritma Shor dan Grover.

Kriptografi modern didasarkan pada penguraian angka menjadi faktor prima. Saat ini tidak diketahui apakah ada algoritma polinomial non-kuantum untuk masalah faktorisasi. Namun, 25 tahun yang lalu, Peter Shore menerbitkan sebuah artikel yang menjelaskan bagaimana komputer kuantum dapat menguraikan bilangan bulat yang sangat besar menjadi faktor prima.

Algoritma komputer kuantum tidak bekerja secara deterministik, tetapi menebak faktor sederhana dengan probabilitas jawaban yang benar lebih dari 50% dan menemukan faktor sederhana secara eksponensial lebih cepat daripada yang biasa.

Dengan penyebaran komputer kuantum, semua metode enkripsi modern akan rentan, dan ini adalah motivasi utama dalam pengembangan algoritma kuantum selama 25 tahun terakhir. Tetapi untuk saat ini, masih sulit untuk menerapkan metode Shore, karena algoritma ini membutuhkan komputer kuantum yang besar. Yang kecil memecahkan masalah hanya untuk jumlah kecil.

Contoh lain yang menunjukkan potensi komputasi kuantum adalah Grover Algorithm untuk tugas mencari atau menemukan solusi untuk persamaan$$$f(x)=1$dimana $$$f(x)$semacam fungsi kompleks.

Selain algoritma Shore dan Engraver yang disebutkan di atas, ada sejumlah besar algoritma kuantum lainnya. Setiap sistem fisik ingin mencapai keseimbangan - kuantum tidak terkecuali. Dari sudut pandang ilmiah, lebih tepat untuk berbicara bukan tentang keseimbangan, tetapi tentang keadaan dasar sistem. Analog klasik adalah keadaan istirahat. Sistem selalu berusaha untuk beristirahat dengan energi minimal. Dalam hal masalah komputasi, ini adalah tugas optimasi untuk meminimalkan energi. Komputer kuantum bisa menyelesaikan masalah seperti itu.

Seluruh bidang penerapan algoritma kuantum dan komputer belum dipahami. Tetapi sudah ada puluhan masalah optimisasi berbeda yang dapat ditangani oleh komputer dan algoritma kuantum, dan yang baru ditemukan.

Simulator Kuantum Fleksibilitas Terbatas

Ini adalah arah lain: universalitas terbatas, tetapi isolasi (koherensi) dipertahankan. Ini adalah komputer pada pergantian 50-70 qubit, yang dalam arti memori sudah lebih dari komputer super mana pun.

Pada batas ini, kemampuan komputer kuantum khusus lebih unggul daripada yang klasik - superioritas kuantum muncul . Ini berarti bahwa komputer kuantum dapat menyelesaikan beberapa masalah yang biasa (bahkan superkomputer) akan membutuhkan waktu puluhan, ratusan atau ribuan tahun untuk diselesaikan.

Pada Oktober 2019, Google mengumumkan bahwa mereka telah mencapai keunggulan kuantum. Berita itu muncul di semua surat kabar dan majalah terkemuka, artikel ilmiah terkait diterbitkan di Nature. Artikel-artikel pilihan telah diterbitkan oleh banyak surat kabar, bahkan New York Times dan Wall Street Journal, yang jauh dari ilmu pengetahuan.

Pada kenyataannya, Google telah mengembangkan prosesor kuantum dengan fleksibilitas terbatas. Ini memiliki jumlah qubit yang cukup besar, dan dapat melakukan beberapa tugas sempit dengan lebih baik daripada komputer klasik lainnya. Pertanyaan lain adalah bahwa ini adalah tugas yang sangat sempit dan buatan.

Prosesor yang tidak koheren dengan jumlah qubit dari 2 ribu

Jika Anda lupa tentang universalitas dan koherensi, Anda dapat menambahkan 2 atau bahkan 3-4 ribu qubit. Perusahaan D-Wave dari Kanada bergerak di bidang ini. Mereka memiliki prosesor dengan seribu qubit, tetapi tanpa koherensi.

Kemungkinan aplikasi komputer kuantum

Salah satu aplikasi potensial besar adalah kriptografi. Yang kedua adalah tugas optimasi yang muncul di berbagai bidang.

Ilmu. Komputasi kuantum dapat membantu memprediksi perilaku partikel, memodelkan molekul DNA, atau mengembangkan obat baru. Misalnya, mereka mencoba menerapkan komputasi kuantum dalam farmakologi. Untuk melakukan ini, Anda perlu memahami apa bentuk protein berbeda (yang dapat Anda anggap sebagai objek kuantum mikroskopis). Kami tidak tahu bagaimana mereka akan berperilaku, tetapi cara termudah untuk memahami ini adalah dengan mensimulasikan perilaku mereka di komputer kuantum. Tugas ilmiah ini memiliki potensi bisnis yang sangat besar: obat-obatan baru, suplemen, antibiotik.

Bahan baru.Dalam ilmu material, hal utama adalah memahami interaksi atom, yang dapat dimodelkan pada komputer kuantum. Ini juga merupakan tugas ilmiah, tetapi setelah membuat materi baru, itu sudah bisa dijual.

Pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan. Pembelajaran mesin adalah proses kompleks yang membutuhkan sejumlah besar perhitungan. Meskipun tidak ada manfaat praktis dari komputer kuantum, karena mereka sekarang berada pada tingkat perkembangan yang salah. Tetapi dalam jangka panjang, komputer kuantum dapat mempercepat algoritma standar. Dalam beberapa kasus, ini terlihat revolusioner, karena Anda dapat mengurangi waktu pelatihan jaringan saraf hingga puluhan kali.

Transportasi, energi, logistik.Di area ini ada banyak masalah optimisasi. Misalnya, di sektor energi, masalah utama adalah distribusi energi listrik di seluruh negeri. Harga listrik di berbagai daerah berbeda, sementara selama transmisi bagian energi hilang, dan dengan itu keuntungan. Untuk menghasilkan lebih banyak uang, bisnis berusaha mengoptimalkan transfer. Ini adalah salah satu tugas yang ada di kelas NP. Sulit untuk menemukan solusi yang tepat, tetapi komputer kuantum dapat membantu.

Aplikasi bisnis. Dalam bisnis, hanya perusahaan besar dan perusahaan yang terlibat dalam komputasi kuantum. Raksasa memiliki uang dan sumber daya, misalnya, Google, D-Wave atau IBM (pemimpin bidang dengan prestasi besar).

Di situs web perusahaan D-Wave tertulis bahwa sudah ada dalam 150 aplikasi bisnis, komputasi kuantum digunakan. IBM telah merilis brosur yang membahas apa yang dapat dilakukan dengan komputer kuantum. Ini adalah lusinan industri yang berbeda dan berpotensi ratusan solusi bisnis. Jadi itu terlihat di atas kertas.



Pada kenyataannya, semuanya sedikit berbeda. Perkembangan teknologi belum pada level untuk mempraktikkannya.

Apa arti revolusi kuantum bagi industri TI?

Sejauh ini tidak ada. Kita berada di era yang disebut NISQ - Noisy Intermediate-Scale Quantum technology . Ini berarti bahwa sekarang tidak ada perangkat kuantum yang dapat bersaing dengan komputer klasik. Masih belum memungkinkan untuk menciptakan sistem kuantum yang dalam segala hal melampaui klasik: agak kecil, universal, dan terisolasi. Sejauh ini, hanya sistem yang telah diperoleh yang melakukan tugas-tugas sangat khusus dari jenis tertentu yang lebih baik daripada cluster komputasi. Teknologi kuantum belum praktis. Saya ingin menggunakan potensi besar ini untuk tugas sehari-hari saya, tetapi saya tidak tahu bagaimana melakukannya.

Teknologi kuantum memiliki "potensi mengganggu" yang sangat besar. Jika Anda belajar untuk menyelesaikan dengan baik setidaknya satu dari masalah optimasi yang disebutkan di atas, ini akan mengubah satu industri tertentu, setidaknya. Saya berharap bahwa dalam 5-10 tahun situasinya akan berubah di beberapa daerah.

Banyak perusahaan membuat prototipe komputer kuantum nyata - mereka sudah tahu cara melakukan sesuatu, tetapi sejauh ini tidak cukup.

Di Skoltech, kami mencoba menjawab pertanyaan utama - bagaimana dan mengapa Anda dapat menggunakan komputer kuantum. Dengan kolega saya Vladimir Antonov dan Oleg AstafievKami sedang mengerjakan sebuah proyek di mana kami bekerja pada komputer kuantum kecil. Sayangnya, beberapa masalah arsitektur dan desain belum terselesaikan, karena kami masih belum yakin tugas mana yang harus diselesaikan oleh komputer ini. Jika Anda tertarik dengan pertanyaan ini, saya mengundang Anda untuk membahasnya .

Ketertarikan para peserta HighLoad ++ menerima laporan tentang komputer kuantum dan pembangkit listrik tenaga nuklir mendorong kami untuk lebih memperhatikan topik-topik seperti itu di konferensi kami. Oleh karena itu, di RIT ++ pada bulan Mei online kami akan memiliki bagian-bagian dari bidang ilmiah dan penerapan IT di bidang terkait. Dan ini hanya sebagian kecil dari hal baru festival "Teknologi Internet Rusia" - untuk lebih jelasnya, lihat situs web dan buletin .