company_banner

ИТ-гигант хочет доказать квантовое превосходство уже в следующем году — что может пойти не так

    В 2019 году Google планирует провести соревнование вычислительных машин и сравнить производительность своего 72-кубитного чипа Bristlecone с возможностями суперкомпьютера НАСА Pleiades. ИТ-гигант планирует показать, что квантовое превосходство достижимо. Под катом — подробнее о тестах и возможных сложностях, с которыми столкнутся в компании.


    / фото JD Hancock CC BY

    Пара слов о квантовом превосходстве


    Квантовое превосходство — условный момент времени, когда квантовые компьютеры научатся решать некоторые вычислительные задачи намного быстрее классических систем. К таким задачам, например, относят перебор ключей SHA-256.

    Теоретическую возможность квантового превосходства в октябре этого года доказали Сергей Бравый из IBM Research, Дэвид Госсет (David Gosset) из Университета Ватерлоо и Роберт Кениг (Robert König) из Мюнхенского института. Свое исследование они опубликовали в журнале Science, в котором показали, что при определенных условиях квантовая машина способна обогнать классическую вычислительную систему.

    Хотя теоретическая возможность квантового превосходства была доказана, на практике этого сделать пока не удалось. В следующем году Google планируют исправить это «недоразумение».

    Суть эксперимента Google


    Чтобы доказать гипотезу о квантовом превосходстве, Google совместно с НАСА сравнят возможности нового 72-кубитного чипа Google с кодовым названием Bristlecone и суперкомпьютера Pleiades, который занимает 24 место в Top500 самых мощных вычислительных систем мира (5,95 петафлопс).

    Классические системы пока что превосходят по производительности прототипы квантовых машин, эффективно симулируя работу квантовых цепей. Квантовый чип Google и суперкомпьютер НАСА произведут серию тестовых вычислений. Если чипу Bristlecone удастся превзойти Pleiades, то организации смогут заявить о достижении квантового превосходства.


    / фото NASA PD

    Эксперимент проведут на платформе Google Cloud API, так как разместить эти две машины в одном помещении не получится. При этом для работы Bristlecone необходимо соблюдать ряд условий: например, температура окружающей среды должна быть близкой к абсолютному нулю.

    Первые результаты тестов представят в июле 2019 года. Представители Google уверены, что Bristlecone сумеет достичь квантового превосходства. ИТ-гигант возлагает надежды на свои эффективные алгоритмы вычислений и механизмы коррекции ошибок, которые берут в расчет «хрупкость» кубитов, разрушающихся под воздействием внешней среды.

    Почему эксперимент Google может провалиться


    В мае ученые компании Alibaba опубликовали исследование (PDF), в котором утверждают, что о квантовом превосходстве можно говорить только тогда, когда число ошибок в вычислениях квантовых компьютеров будет равняться нулю. Даже если машина считает быстрее, в этом нет никакого смысла без правильного результата. А эти ошибки непременно возникают при записи (и считывании) данных в кубиты из-за разрушения их квантового состояния. Чем больше кубитов, тем выше шанс, что они начнут вносить в работу друг друга помехи.

    Достигнуть нулевого значения пока никому не удалось. У того же Bristlecone процент ошибок составляет 0,6%. И хотя в Google уверены, что этого достаточно, на практике все может оказаться иначе.

    Отметим, что в мире ведется разработка нескольких проектов, которые должны помочь в создании эффективных механизмов коррекции ошибок в квантовых компьютерах. К примеру, Себастиан Криннер (Sebastian Krinner) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложил объединить несколько «простых» кубитов в один логический, уменьшив их количество. Но для практической реализации этой технологии потребуются годы разработок.

    Другие пытаются решить задачу за счет уменьшения энтропии и объединения нескольких квантовых систем в одну большую. Например, в блоге мы рассказывали об исследователях из Университета штата Пенсильвания и их концепции демона Максвелла, а также о телепортации квантовых вентилей, которую продемонстрировали ученые Йельского университета.

    Но даже если удастся реализовать достаточно эффективные механизмы коррекции ошибок для квантовых компьютеров, возникает еще одна сложность. Вычислительная мощность классических суперкомпьютеров не стоит на месте. Разрабатываются все более мощные системы, поэтому даже если у Google получится превзойти Pleiades, в будущем классические машины могут вновь превзойти квантовые.


    / фото IBM Research CC BY-ND

    Вклад других компаний


    Одной из компаний, которая участвует в квантовой гонке, является Intel. Из последних достижений компании — компьютер с 49 кубитами. Согласно дорожной карте, в ближайшие 5–7 лет ИТ-гигант планирует построить 1000-кубитную систему.

    В компании предполагают, что с таким количеством кубитов превосходство квантовых компьютеров над традиционными обеспечено. Однако есть те, кто считает, что для этого понадобится машина с числом кубитов не менее миллиона.

    Другая компания, работающая в этой области — стартап Rigetti. В октябре его представители объявили о награде в миллион долларов тому, кто докажет превосходство системы с кубитами над классическим компьютером.

    Чтобы подстегнуть исследования, компания разработала облачный сервис для создания и запуска квантовых алгоритмов, доступный всем желающим. Специалисты Rigetti ожидают, что эксперименты с облаком и квантами положительно скажутся на развитии обеих технологий.



    P.S. Пара статей из нашего корпоративного блога:


    P.P.S. Материалы из нашего Telegram-канала об IaaS и не только:

    ИТ-ГРАД
    122.08
    vmware iaas provider
    Share post

    Comments 28

      +2
      Эксперимент проведут на платформе Google Cloud API, так как разместить эти две машины в одном помещении не получится.

      Что означает эта фраза?
        0
        Ну не будут же они тащить одну машину в гости к другой. Будут пользоваться облаком
          +5
          Для чего они будут пользоваться облаком?
          Если у меня два ноута, и я хочу сравнить их производительность, мне нужно использовать VDS?
          И как расшифровывается «платформа Google Cloud API»?
            +1
            Если классический суперкомпьютер будет работать в режиме эмуляции квантовых процессов, то логично предположить, что программировать течение этих процессов будут на каком-то общем для обоих компьютеров языке, который, вероятно, и входит в Cloud API. Так хотя бы можно сказать, что компьютеры решали одну задачу, хотя классический компьютер в этом случае и оказывается заведомо в несколько неравном положении.
              0
              Как мне кажется они будут использовать для централизированного запуска, автоматизации и отображения результатов. Все таки это не ноутбуки, которые можно перенести, а они могут находится на довольно большом расстоянии друг от друга.
              И вот они решили заморочаться, не добавлять удаленный доступ, а сделать это через «платформу Google Cloud API», которая по сути и будет удаленным доступом.
                0
                В оригинальном соглашении всё намного понятней и проще описано, что почем.
                Через Google Cloud API только доступ для NASA к квантовому компьютеру.
          +1
          Интересно, будет ли через 20 лет слот для квантового сопроцессора в мат. плате?
            +5
            этот слот уже существует и представлен креслом перед ЭВМ
              +2
              этот слот уже существует и представлен креслом перед ЭВМ

              У вас есть какие-то доказательства, что человеческий мозг использует квантовые эффекты?
                0
                Туннелирование протонов играет важнейшую роль в биологии. Так что в мышлении, пожалуй, тоже
                  +5
                  В обычном компьютере полно квантовых эффектов, по сути каждый полупроводник на них работает. Это не делает компьютер квантовым.
                0
                Но как-то этот «процессор» во много раз уступает в скорости и безошибочности тому, что в мат. плате
                Как ни странно пока в действительности получается примерно так же
                  +1

                  Ну это смотря на каких задачах сравнивать.

                    0
                    А есть гарантия, что те-же ошибки не будут появляться и в итогах решения тех систем, что решает квантовый компьютер?
                      0

                      Ну человеческие ошибки — это в основном устарелые адаптации. Почти все, что сейчас человек делает "не так" когда-то было очень полезно. Не думаю, что это вообще как-то связано с квантовыми вычислениями. Просто окружающий мир быстро изменился и многие фичи последних нескольких сотен тысяч лет немного устарели.

                        0
                        Да, квантовая механика появилась лишь в ХХ веке.
                        1900 — Макс Планк предложил идею квантования (энергии) тепловых фотонов.
                        1905 — Эйнштейн нашёл объяснение фотоэффекту, пользуясь теорией квантования энергии.
                        1913 — Нильс Бор выдвинул гипотезу о том, что энергия электронов в атоме меняется дискретно.
                        Да и квантовая механика вырождается в механику Ньютона (при изменении масштабов).
                        А мой диплом — квантово-механические расчёты. Так-что представление имею, неплохое,
                        и по расчётам (полуэмпирическим и неэмпирике) :)
                  0

                  Интересно, на что они рассчитывают. Ибо, ка правильно сказано в статье выше


                  При этом для работы Bristlecone необходимо соблюдать ряд условий: например, температура окружающей среды должна быть близкой к абсолютному нулю.

                  Одно дело для крупного вычислительного центра — другое дело — в домашних условиях. Сомневаюсь, что в обозримом будущем квантовые вычисления будут применяться иначе, как в крупных вычислительны центрах.

                    0
                    15 лет назад нужно было азотное охлаждение ставить на процессоры, которые сейчас внутри телефона за 100$. Закон Мура, хоть и рывками, но, вроде бы, выполняется (что мне самому удивительно и невероятно).
                      0
                      Это об интегральных микросхемах речь, насколько понимаю. В них охлаждение нужно лишь для борьбы с нагревом от потребляемой энергии при переключении транзисторов. Там сильно помогает уменьшение размеров транзисторов. Правда в них нынче наткнулись на две проблемы — одна поменьше, другая — очень значительная. Первая намечалась ранее, ибо для оптической литографии во избежание получения малопредсказуемого результата под действием дифракции длина волны как минимум не должна превышать размер транзистора, а для волн менее 50 нм земной воздух выглядит, как густой туман. Это решали заменой воздуха на не помню какие другие газы, которые при не вызывающем сложностей давлении прозрачны для более коротких электромагнитных влон, но теперь остаётся только снижать давление и искать пути борьбы с испарением кристалла и прочими. Но ест большая сложность, что размер атомов не помню сколько сотен пикометров, что вполне сравнимо с 10 нанометрами, но базу транзисторов в один атом сделать сложно из-за влияния квантовых эффектов, когда транзистор будет терять закрытое состояние, т. е. всегда 1 без нулей.

                      Но другое дело квантовые вычисления. Сами кубиты не устойчивы перед тепловым движением, поэтому нужно более существенное охлаждение. Вряд ли будет другое решение в обозримом будущем.
                        0
                        … Но другое дело квантовые вычисления. Сами кубиты не устойчивы перед тепловым движением, поэтому нужно более существенное охлаждение.

                        Это не совсем так. Устойчивость кубит к тепловым шумам не связана с природой квантового параллелизма. Она — проявление совершенства технологии их реализации. Вполне реальны процессоры с миллионами или даже миллиардами кубит, работающие при комнатной температуре. Да и безошибочность их работы устроить гораздо проще чем, скажем, ECC-коррекцию памяти или дисковых данных в классических вычислительных системах. Тем не менее фундаментальные проблемы есть и у квантовых процессоров. В первую очередь это ввод-вывод данных и, соответственно, результатов вычислений. Причина в том что логическая топология квантового процессора может быть неограниченно сложна. Кубиты теоретически должны поддерживать связь «каждый с каждым». Тогда как классические процессоры за вычетом архитектурных нюансов процессорных шин двумерны. И это — фундаментальная разница. Выражаясь образно — на кубитах можно эмулировать вселенную, проблема в том что при выводе результатов надо погрузить её в наш 3-х мерный мир да ещё со стрелой времени. Система ввода-вывода будет самой сложной частью квантового компьютера. Скорее всего именно она и будет определять возможности квантового вычислителя. Именно это, на мой взгляд, самая туманная часть будущего квантовых компьютеров. Сам же субстрат для реализации массивом кубит, сохраняющих когерентность столь долго сколь это необходимо, будет создан скоро. Возможно он уже есть…
                  • UFO just landed and posted this here
                  +2
                  Кстати, какие алгоритмы асимметричного шифрования устойчивы к квантовому взлому?
                  0
                  Хотя это антинаучно, но я до сих пор не могу поверить и понять, что мир не детерминирован, вот когда они продемонстрируют, что квантовый комп быстрее, для меня это будет достаточным наглядным примером.
                    0
                    К таким задачам, например, относят перебор ключей SHA-256.

                    Сириусли? Перебор ключей у хеша?

                      0
                      Странно это всё. Если эмуляция квантового компьютера не выдаёт 100% точный результат, то речь идёт о сравнивании традиционных вероятностных алгоритмов с точными, что не совсем корректно называть квантовым превосходством. Я с тем же успехом могу случайный вывод подставлять и он будет быстрее традиционных алгоритмов, хоть и некорректен.

                      Если выдаёт и лучше на том же традиционном железе, то мы можем лишь говорить о том, что традиционные алгоритмы неэффективны и мы можем лучше на традиционном железе, так что опять же не особо понятно, откуда тут квантовое превосходство.

                      И если честно, всё ещё имею затруднения в понимании квантовой запутанности и как её достигают(и в квантовых компьютерах и с частицами), если кто подкинет ссылку, где это хорошо объяснено доступным языком с примерами, буду благодарен.

                      Only users with full accounts can post comments. Log in, please.