Квантовий суперкомп’ютер майбутнього

У науково-фантастичних фільмах ми часто бачимо сюжети про суперкомп’ютери, що здатні до самонавчання. Насправді, вчені вже давно працюють над тим, щоб створити щось подібне і, як виявилося – не безуспішно. Уже зараз ясно, що новим поколінням комп’ютерів стануть квантові. В чому їх переваги, який у них потенціал і чому досі вони не вийшли зі стін лабораторій, розглянемо детальніше.

Отож – переваги: швидкість обчислень квантового комп’ютера на кілька порядків перевищить можливості звичайних комп’ютерів. Квантовий комп’ютер буде здатний миттєво робити неймовірну кількість обчислень. Для прикладу, 30-кубітний такий комп’ютер зможе обробляти трильйон операцій в секунду, тоді як сучасні комп’ютери можуть здійснювати тільки мільярд операцій у секунду. Що це означає на практиці? Такий комп’ютер зміг би за секунди розшифрувати людський геном, або зі 100% точністю передбачити погоду на місяці вперед. Він зміг би за кілька годин отримати шифр до вашої кредитки, тоді як у звичайного комп’ютера на це пішли б мільярди років. Саме квантовий комп’ютер міг би стати основою для створення машин, здатних «навчатися самостійно», а це, по суті – за крок від реалізації ідеї «штучного інтелекту».

чіп від університету «МИСиС»

Так що ж не дає вченим втілити в життя подібні завдання? Наскільки ми далекі від реалізації цієї мрії?

Перш ніж відповідати на це запитання, варто спершу розібратися із тим, чим же по суті є квантовий комп’ютер і в чому його принципові відмінності від звичайного. Так от, звичайний комп’ютер при обробці даних кодує їх одиницями і нулями, при цьому, значення кожного біта інформації чітко визначене. А в квантовому комп’ютері це значення невизначене, воно одночасно може відповідати і одиниці, і нулю, причому, з різною ймовірністю того й іншого. Елементи зберігання інформації в квантовому комп’ютері називають кубітами. Ідея, загалом – зрозуміла: кубіти дозволяють проводити обчислення паралельно із мільйонами комбінацій. Але реалізація такого комп’ютера технічно дуже складна.

Різні групи вчених у всьому світі паралельно працюють над ции завданнями, але оскільки вони йдуть до мети різними шляхами, то й успіхи у них різні. Наприклад, в Росії вчені з Національного дослідницького технологічного університету «МИСиС» змогли побудувати «ядро комп’ютера». Їх розробка ще дуже далека від того, що можна було б назвати «комп’ютером» у звичному розумінні, але вони зуміли створити пристрій, схожий на транзистор, тільки з нескінченною кількістю варіантів введення та зберігання інформації. Технічно, реалізація даної ідеї виглядає так. Є маленьке алюмінієве кільце, яке при звичайній температурі – абсолютно ні на що не здатне, але якщо перевести його в стан надпровідника, воно стає квантовим об’єктом: струм в такому об’єкті може текти і за годинниковою стрілкою і проти неї, дозволяючи кубітам приймати одночасно значення і одиниць і нулів. Щоправда, аби перевести цей об’єкт в «квантовий», алюмінієві кільця треба охолодити до температур, близьких до абсолютного нуля, а щоб зчитувати «відповіді» з кубітів, об’єкт поміщають у надточне слабке магнітне поле. Це поле приглушує шумові перешкоди, після чого вчені, використовуючи мікрохвилі, зчитують з кубітів «відповідь». Але й це – не єдина складність при роботі з кубітами. Річ у тім, що вони можуть існувати лише мікросекунди. Та навіть за такий надто короткий проміжок часу вони встигають порахувати сотні операцій. Тож, незважаючи на те, що перші кроки на шляху до комп’ютера нової ери вже зроблені, належить вирішити ще дуже багато задач, аби стабілізувати цю систему в усіх сенсах.

А тим часом західні вчені, зокрема – фахівці з компанії D-Wave, підійшли до реалізації цієї ідеї зовсім по іншому. Вони охолодили мікросхему з решітками, створену з надпровідних квантових інтерферометрів, до -273°C. Таким чином, вони теж змогли отримати кубіти з невизначеними значеннями. Але в цьому випадку, відсутнє явище квантової заплутаності, коли вплив на один кубіт змінює відразу всі амплітуди. По суті, їх комп’ютер використовує в роботі адіабатичні квантові обчислення, що само по собі багато в чому обмежує можливості такого комп’ютера, але саме завдяки такому підходу, зникають інші проблеми квантових обчислювальних машин. Грубо кажучи, такий комп’ютер буде дуже вузькоспеціалізований, націлений на певне коло завдань, в якому потрібно використовувати стан всіх кубітів разом, бо до операцій з окремими кубітами ці комп’ютери не готові.

Не дивлячись на такі великі функціональні обмеження, багато компаній вже знайшли, як можна використовувати дану розробку. Наприклад, Google вчила цей комп’ютер працювати з розпізнаванням образів, а в самій D-Wave його пристосували для фолдінга білків. Подальша робота над оптимізацією квантового комп’ютера від D-Wave дозволила працювати з 512 кубітами, при чому, його продуктивність в 35,5 тисяч разів перевершує можливості класичних неквантовой комп’ютерів. Разом з тим, в деяких тестах він показує результати, близькі зі звичайними комп’ютерами. Так що, він продовжує залишатися дуже вузькоспеціалізованим.

Як бачимо, вчені активно працюють над створенням суперкомп’ютера майбутнього і випробовують для цього самі різні способи. Важко передбачити заздалегідь, технічний прорив у якій із галузей науки допоможе людям зробити новий технічний стрибок. Але, безсумнівно, цей день рано чи пізно настане.

Читати також:

Нанотехнології для надшвидкого загоєння ран!

Нанотехнології для надшвидкого загоєння ран!

Швидка регенерація пошкоджених тканин організму – вже не частина наукової фантастики, а новітня розробка, створена вченими...

Вчені тестують нанороботів для діагностики та лікування хвороб!

Вчені тестують нанороботів для діагностики та лікування хвороб!

А пам’ятаєте ті фантастичні фільми, де в тіло людини вводять «нанороботів», здатних впливати на стан організму? Схоже, вчені...