Перший практичний квантовий комп'ютер може з'явитися вже за п'ять років
Ви читали заголовки: квантові комп'ютери збираються вилікувати хворобу, відкривши нові ліки! Вони збираються проникнути в усі світові дані і знайти рішення таких проблем, як бідність і нерівність!
В якості альтернативи вони можуть не робити цього. Ми дійсно не впевнені в тому, що буде виглядати квантовий комп'ютер, але хлопчик схвильований.
Часто здається, що квантові комп'ютери знаходяться в своєму власному квантовому стані - вони революціонізує світ, але все ще далекі один від одного.
Тепер, однак, Національний науковий фонд планує збирати квантові комп'ютери з області фантастики і кидати їх прямо в свої дослідницькі лабораторії. І він готовий заплатити дуже багато, щоб зробити це.
В серпні федеральне агентство оголосило про проект Software-Tailored Architecture для Quantum co-design (STAQ). Фізики, інженери, вчені-комп'ютерники та інші дослідники з Герцога і шести інших університетів (включаючи Массачусетський технологічний інститут і Каліфорнійський університет в Берклі) зберуться разом, щоб відправитися в п'ятирічну місію вартістю 15 мільйонів доларів.
Мета полягає в тому, щоб створити перший в світі практичний квантовий комп'ютер, який виходить за рамки доказової концепції і фактично перевершує кращі класичні комп'ютери - з нуля.
Невеликий фон: є кілька ключових відмінностей між класичним комп'ютером і квантовим комп'ютером. Якщо класичний комп'ютер використовує біти, які або перебувають в стані 0, або 1, квантові біти або кубіти, також можуть бути одночасно рівні 1 і 0. Квантові схеми, які використовують ці кубіти для передачі інформації або виконання обчислення, називаються квантовими логічними вентилями; так само, як класична схема управляє потоком електрики в схемі комп'ютера, ці ворота керують окремими кубитами через фотони або захоплені іони.
Щоб розробити квантові комп'ютери, які дійсно корисні, вченим необхідно з'ясувати, як поліпшити обладнання, яке ми використовуємо для створення фізичних пристроїв, і програмне забезпечення, яке ми запускаємо на них. Це означає з'ясувати, як створювати системи з великою кількістю кубітів, які менш схильні до помилок, і визначати, як сортувати правильні відповіді на наші запити, коли ми отримуємо багато шуму з ними. Ймовірно, частина відповіді полягає в створенні автоматизованих інструментів, які можуть оптимізувати, як певні алгоритми відображаються на конкретне обладнання, в кінцевому підсумку усуваючи обидві проблеми відразу.
Щоб краще зрозуміти, що може зробити ця програма, Футуризм наздогнав Кеннета Брауна, інженера Університету Дьюка, що відповідає за STAQ. Ось наша розмова, яка була легко відредагований і стиснутий для ясності. Ми додали відповіді Брауна з гіперпосиланнями.
Футуризм: багато з того, що ми чуємо про квантових обчисленнях, дуже абстрактні і теоретичного - є багато досліджень, які можуть привести до квантових комп'ютерів, але не показують чіткого шляху до того, як туди дістатися. Що ваша команда зможе зробити, що інші не змогли зробити в минулому?
Кеннет Браун: Я думаю, важливо пам'ятати, що квантові комп'ютери можуть бути зроблені з самих різних речей. Я зазвичай роблю аналогію з класичними комп'ютерами. Перші класичні комп'ютери були всього лише передачами, в значній мірі тому, що це була найкраща технологія, яку ми мали. І тоді була ця вакуумна трубка на класичних комп'ютерах, яка була вельми корисна і хороша. І ось спочатку з'явився перший кремнієвий транзистор. І важливо пам'ятати, що коли кремнієвий транзистор вперше з'явився, він не міг конкурувати з вакуумними трубками. Іноді я думаю, що люди забувають, що це було таке дивне відкриття.
Квантові обчислення - одне і те ж. Існує безліч способів подання квантової інформації. В даний час дві технології, які продемонстрували найбільш корисні застосування, - це надпровідні кубіти і захоплені іонні кубіти. Вони різні, у них є плюси і мінуси, але в нашій групі ми всі разом зосереджені на цих захоплених іонних кубітах.
З захопленими кубітами іонів добре те, що в малому масштабі десятків іонів все кубіти безпосередньо пов'язані. Це дуже відрізняється від надпровідної системи твердотільної системи, в якій вам потрібно поговорити з кубітами, які знаходяться поблизу. Тому я думаю, що у нас є дуже конкретні плани, щоб дістатися до 30, 32 кубітів. Це зрозуміло. Ми хотіли б поширити це на щось ближче до 64 або близько того, і це зажадає деяких нових досліджень.
F: що робить цей комп'ютер "практичним" у порівнянні з усіма іншими людьми, що працюють на квантових комп'ютерах?
КБ: я думаю, що є промислові зусилля, спрямовані на створення саме цих практичних пристроїв. Те, що дійсно відрізняє нас, - це академічна сторона. Я думаю, що це дозволяє більше досліджувати, з метою створення пристрою, який дозволяє людям тестувати абсолютно різні ідеї про те, як архітектура повинна бути і які програми повинні бути на ній, такі речі.
Для прикладу, у хлопців з IBM є квантовий пристрій. Я дійсно співпрацюю з ними через інші проекти, і я думаю, що вони досить відкриті. Але прямо зараз, то, як ви взаємодієте з ним, ви вже на рівні абстракції [в тому, що люди можуть запитати речі комп'ютера в інтернеті, але не можуть змінити, як він запрограмований]. Якщо ви думали про повну оптимізацію цієї речі, ви не можете. У них є компроміс: у них є свій комп'ютер, повністю відкритий для доступу в інтернеті, але щоб зробити його стабільним, вам потрібно відключити деякі ручки. [Комп'ютер IBM, оскільки він ізольований і призначений для використання багатьма дослідниками, не може бути налаштований для виконання все, що може знадобитися людині.]
Таким чином, наша мета полягає в тому, щоб зробити пристрій, що досягає цього практичного масштабу, де дослідники можуть грати з усіма ручками.
F: як квантові обчислення можуть змінити життя звичайної людини?
КБ: я думаю, що в довгостроковій перспективі квантові обчислення і комунікація змінять наше ставлення до закодованої інформації в інтернеті. У Google Chrome, насправді, ви вже можете змінити криптографію на можливу установку пост-квантової криптографії.
По — друге, я думаю, що люди не думають про те, як молекулярний дизайн впливає на матеріали-від нудних речей, таких як пляшки з водою, до химерних речей, таких як конкретні нові ліки. Цікаво, що квантовий комп'ютер виконає свою обіцянку ефективно і точно розрахувати ті молекулярні властивості, які дійсно можуть змінити матеріали і ліки, які ми побачимо у майбутньому.
Але на те, що ви збираєтеся робити на своєму домашньому комп'ютері, як я думаю про це, більшість людей використовують свій комп'ютер для перегляду Netflix і іноді пишуть листа або електронну пошту або щось ще. Це не ті місця, де квантові комп'ютери дійсно допомагають вам.
Так що це забавно — я не знаю, яка буде база користувачів. Але коли комп'ютери тільки будували, у людей було таке ж враження. Вони сказали, що комп'ютери будуть тільки для вчених, які виконують лабораторні роботи. І, очевидно, що це більше не так.
F: яка людина зможе користуватися квантовим комп'ютером? Як ви навчаєте кого-то використовувати його, і як може виглядати ступінь квантових обчислень майбутнього?
КБ: коли я намагаюся пояснити комусь квантові обчислення, якщо він знає фізику або хімію квантової механіки, я зазвичай починаю пояснювати, як робити обчислювальну бік. І інша сторона також вірна: якщо люди добре розуміють обчислення, я можу пояснити додаткові модулі, які дає вам квантовий комп'ютер.
У майбутньому нам, ймовірно, знадобляться люди, навчені з обох цих дисциплін. Нам потрібні люди, які мають фізичну підготовку, які ми отримуємо до швидкості на стороні інформатики і навпаки.
Конкретна річ, яку ми збираємося спробувати зробити, - це квантова літня школа з ідеєю залучити людей з промисловості, які, можливо, є чудовими інженерами мікрохвильових печей або інженерами-програмістами, і спробувати дати їм достатньо інструментів, щоб вони могли почати думати про додаткові правила, про які ви повинні думати з quantum.
F: які нові дослідження вам потрібно буде розібратися, перш ніж ця річ може бути побудована? Що для цього буде потрібно?
КБ: у нас є кілька ідей. У класичному комп'ютері ви працюєте з напругою, але в квантових обчисленнях, мені потрібно якось переносити інформацію з одного місця в інше. Повинні кубіти messenger, які несуть інформацію в інші частини комп'ютера, бути тим же типом кубіта, що і решта комп'ютера? Ми поки не впевнені напевно.
Поширений спосіб масштабування складності квантових комп'ютерів називається архітектурою CCD. Ідея полягає в тому, щоб переміщати керовані ланцюга іонів від точки до точки. Це одна з можливостей.
Була проведена певна теоретична робота, що стосується того, чи можна пов'язати фотони між іонними ланцюгами. Ідея для всіх видів суперкомп'ютерів полягає в використанні фотонів в якості цих кусітов-месенджерів. І, роблячи це, ви можете в основному мати купу невеликих квантових комп'ютерів, підключених усіма цими фотонами, які колективно діють як більший комп'ютер.
Але це далі. Я думаю, що отримати доступ до пропускної спроможності, необхідної нам в найближчі п'ять років, буде досить складно. Якщо це станеться, це буде здорово, але це, ймовірно, далі.
F: По дорозі, як ви дізнаєтеся, що досягли відчутного прогресу? У вас є орієнтири, знаючи, що ви, скажімо, на півдорозі? Як ви можете точно перевірити, що він працює?
KB: На апаратній стороні ми можемо збільшити кількість кубітів і отримати ворота [вони, якщо ви пам'ятаєте, речі, які переміщують іони або фотони для передачі інформації], краще і називати його відчутним прогресом. У нас є відчуття, що ми повинні отримати, хоча число рухається, десь вище п'ятдесяти кубітів, щоб мати шанс на бій. [Станом на березень Google зберігає запис з 72-кубітной системою]
У той же час ми збираємося використовувати алгоритми та програми, які нам відомі, і ми збираємося зіставити їх з обладнанням. Ми спробуємо оптимізувати алгоритм, коли ми зіставимо його таким чином, щоб загальна додаток було менш вразливим до шуму.
Перш ніж запускати ці програми, ми маємо загальне правило про те, як часто вони повинні терпіти невдачу в тестах і загального використання. Але після цієї оптимізації програмного забезпечення, над якою працює моя команда, в ідеалі вона буде терпіти невдачі набагато рідше. Це допомагає нам більше досліджувати простір алгоритмів, тому що це дає вам впевненість в тому, що ви можете просувати квантові комп'ютери в більш складні системи. Я думаю, що важливо зазначити, що у нас є простір, щоб бути дуже корисним, щоб дивитися на проблеми, про які люди не думають.
F: Яке найгірше оману щодо квантових комп'ютерів, з якими ви зіткнулися? Що люди завжди здаються неправильними щодо них?
КБ: Одне оману в тому, що це диво. Квантові комп'ютери не чарівні; вони не дозволяють вам вирішувати всі проблеми.
Ось що - в класичних обчисленнях у нас є сенс, що є деякі проблеми, які є легкими, і деякі проблеми, які дійсно важкі, а це означає, що ми не можемо вирішити їх в поліноміальний час [термін комп'ютерної науки, використовуваний для позначення чи може комп'ютер швидко виконати завдання].
Виявляється, ми витрачаємо багато нашої обчислювальної потужності, намагаючись вирішити проблеми, які ми не можемо вирішити за поліноміальний час, і у нас просто є апроксимації.
Квантові комп'ютери дозволяють вирішити деякі проблеми, які неможливо вирішити на класичному комп'ютері, але вони не вирішують їх усіх. Зазвичай річ, яка зводить мене з розуму, - це коли стаття квантового комп'ютера каже, що вони можуть вирішити всі проблеми миттєво, тому що вони роблять нескінченні паралельні обчислення відразу.
Я дуже радий, коли у нас великі квантові комп'ютери. З деякими проблемами - знаменитий приклад - проблема комівояжера - ми знаємо, що ми не можемо розв'язати цю проблему для всіх можливих маршрутів продавців, але ми все одно повинні її вирішити. Класичний комп'ютер робить все можливе, а потім, коли він його вдаряє, ніхто не переймається. Ви схожі, «добре, добре, що це буде неправильно в деякі моменти часу».
Коли у нас є великомасштабні квантові комп'ютери, ми можемо більш точно протестувати алгоритми. Ми будемо знати, що ми можемо вирішити класичну проблему, просто з-за цього новий комп'ютер загрузне.
Я великий оптиміст. Напевно, так виходить, що ви працюєте в цьому полі.
