Журнал New Scientist опубликовал небольшие мини-прогнозы от более чем 70 известных мировых специалистов в различных областях знаний: от генетики и секса до искусственного интеллекта и информационных технологий. Посмотрим, что нас ждет в ближайшем будущем.

Исследователи из Google заявили, что им удалось заставить квантовый компьютер распознавать автомобили на фотографиях. Об этом сообщается на официальном блоге компании.

Демонстрация квантовых вычислений, проведённая японскими исследователями, наглядно продемонстрировала удивительный для кого-то факт: обычная молекула способна выполнять математические операции в тысячи раз быстрее, чем персональный компьютер.

В качестве теста было выбрано дискретное преобразование Фурье, стандартная операция, которая используется во многих областях технологий — в обработке сигналов, теории вероятностей, статистике, криптографии, акустике, сжатии MP3, сжатии JPEG и т.д. Оказалось, что молекула йода выполняет такое преобразование на несколько порядков быстрее, чем процессор обычного персонального компьютера.

Результаты своей работы японские учёные опубликовали в журнале Physical Review Letters [Kouichi Hosaka, Hiroyuki Shimada, Hisashi Chiba, Hiroyuki Katsuki, Yoshiaki Teranishi, Yukiyoshi Ohtsuki, Kenji Ohmori. Ultrafast Fourier Transform with a Femtosecond-Laser-Driven Molecule. Physical Review Letters, 2010; 104 (18): 180501 DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.180501], отзыв на их работу есть в свободном доступе.

К сожалению, это исключительно концептуальный эксперимент, а для реальной пользы использовать вычислительную мощь молекул пока никто не умеет. Но если научатся, то в будущем одной молекулы будет достаточно для каждого пользователя.

via Science Daily

Это продолжение недавней статьи «Квантовая информатика с человеческим лицом».
Мы попробуем понять, вправду ли невозможные вычисления обходятся программисту задаром, узнаем, что случилось с котом Шредингера, выясним, можно ли сделать результат невозможного вычисления единственным материальным следствием прогона квантовой программы и заглянем внутрь квантового кулера.
Антропный принцип, эффект Зенона и фермент в роли машины Тьюринга

Сейчас весьма абстрактные идеи, лежащие в основе квантовой физики, воплощаются в реальность благодаря новым технологическим возможностям в области нанотехнологий и оптических взаимодействий. Об одной из таких идей, идее квантового компьютера, далее и пойдет речь. Постараюсь как можно более популярней.

Вооруженные жидким азотом оверклокеры неоднократно показывали, что современные чипы могут стабильно работать на частотах в разы выше номинальных, обеспечивая соответствующий рост производительности. Тем не менее, прогресс в области «гонки гигагерц» остановился давно и надежно. Первый «Pentium 4» с частотой больше 3 ГГц появился в далеком 2002 году, почти 10 лет назад. За прошедшие годы нормы техпроцессов уменьшились со 180 до 32 нм, но даже это не позволило существенно поднять штатные рабочие частоты. Все упирается в огромное тепловыделение элементов цифровой логики.

В основе «проблемы тепловыделения» лежит глубокая связь между информационной и термодинамической энтропией, а также второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение общей энтропии замкнутой системы. Любое вычисление, уменьшающее энтропию информационную, обязано приводить к увеличению энтропии термодинамической, то есть к выделению тепла. Рольф Ландауэр в 1961 году показал [pdf], что уничтожение одного бита информации должно приводить к выделению не менее k∙T∙ln 2 джоулей энергии, где k – постоянная Больцмана и T – температура системы. Само по себе эта энергия невелика: для T=300K она составляет всего 0.017 эВ на бит, но в пересчете на процессор в целом суммарная энергия вырастает уже до величин порядка одного Джоуля за каждую секунду работы, то есть порядка одного Ватта [Компьютерра №538]. На практике этот теоретический минимум умножается на ненулевое сопротивление и прочие неидеальности реальных полупроводников. В результате мы получаем процессоры, которые по тепловыделению обгоняют утюги.

Американский комитет Accredited Standards Committee X9 в апреле 2011 года утвердил использование самого быстрого алгоритма асимметричного шифрования NTRU (NTRUEncrypt). Удивительно, но широкая публика раньше ничего не слышала о таком алгоритме, а вот он уже становится технологическим стандартом для финансовых транзакций, причём демонстрирует быстродействие на четыре порядка быстрее RSA за счёт хорошей параллелизации.

Например, графический процессор GTX280 может осуществлять до 200 000 операций в секунду шифрования 256-битным ключом NTRU. Это уже сравнимо скорее с симметричными ключами, например, это всего в 20x медленнее AES.

Память на фазовых переходах, первый прикладной квантовый компьютер, ДНК как интегральная схема, и запутанные фотоны — разрозненные события и значительные прорывы, до некоторых пор не взаимодействующие между собой заставляют пытливые умы всей планеты искать пути наиболее эффективной консолидации технологий и применения прорывов в фундаментальной науке к решению прикладных задач. Нам повезло жить в эпоху цифровой эволюции: на наших глазах сменилось четыре поколения компьютерных технологий, и сейчас, господа, давайте понаблюдаем за развитием и становлением следующего поколения.

Есть такой писатель Владислав Крапивин, он пишет книги очень разные, кто-то по ним учится читать, а кто-то уже в зрелом возрасте возвращается в свое детство. Мне их вслух читала мама, когда я еще не умел. В этих книгах есть много научной фантастики, которая тонко перекликается с явлениями, находящимися на границе науки и мечты. Так часто бывает — да Винчи, Жюль-Верн, Бредбери — предвидели такие изобретения и научные прорывы, о которых никто из их современников не мог помыслить. Владислав Крапивин в нескольких рассказах упоминает такие предметы, которые являются одним целым, и в то же время особым образом скопированы — например листы блокнота, который оказался в сопредельном пространстве, или старинная карта острова Гваделупа, размноженная мальчишками на особом принтере. Пишешь на такой, или проткнешь, например, и в тот же момент на всех «копиях» появляются те же изменения. Те, кто уже неоднократно читал здесь и в других источниках о явлении квантовой сцепленности наверное хмыкнут. Рассказы, о которых я говорю были написаны задолго до того, как об этом явлении заговорили. Можно много спорить, что при в квантовой сцепленности не происходит передача информации, а только лишь уточняется квантовое состояние объекта, но ведь это почти то же самое, нужно лишь научиться правильно это использовать. Пусть я мало чего понимаю в квантовой физике, но факты, опубликованные на прошлой неделе в журнале Scince, вселяют в меня оптимизм, читайте сами:

Традиционные компьютерные системы, у истока которых стояла IBM, основаны на логических элементах, которые могут находиться одновременно в только в одном состоянии, трактуемом, например, как «0» или «1». Будущее компьютеров — квантовые вычисления (идея квантового компьютера была предложена ещё в 1980 году советским математиком Ю. И. Маниным) — основано на квантовых битах (кубитах), которые могут одновременно (см. кот Шрёдингера) находиться в состояниях «0» и «1»; это их свойство получило название "суперпозиции". Таким образом, компьютерная система из двух кубитов может осуществить четыре вычисления одновременно, из трёх кубитов — восемь вычислений и т.д. Вообще, при увеличении количества кубитов вычислительная способность компьютера будет возрастать экспоненциально.

Длительное время исследователи IBM работали над проблемой квантовой декогерентности — возникновения ошибок в вычислениях, вызванных влиянием таких факторов, как тепло, электромагнитное излучение, дефекты материалов т.д. Сейчас же инженеры достигли такого уровня производительности и стабильности квантовых устройств, который является минимально необходимым для реализации действующего квантового компьютера.

Главным направлением работы было увеличение временного периода, когда у кубита возможно длительное время сохранять его квантово-механические свойства при помощи экспериментирования с химической чистотой полупроводниковых элементов. По словам одного из учёных IBM, участвующих в проекте квантового компьютера, Матиаса Стеффена (Matthias Steffen), уже сейчас квантовые вычисления перестают быть лишь объектом лабораторных исследований.

Михаил Лукин — наш соотечественник и специалист по квантовой физике. В прошлом месяце он впервые за последние 20 лет читал доклад на русском языке, рассказывая в Digital October о сути своей работы.



Михаил занимается квантовыми компьютерами: пока, собственно, компьютер не получается, зато получается много других интересных практических применений среди которых высокоточные сенсоры и сверхточные часы.

Михаил Лукин из Российского квантового центра осуществил прорыв в постройке квантового компьютера. Ученые смогли достаточно долго сохранить данные в квантовой вычислительной системе — исследователи считают что мы стоим в одном шаге от создания реального квантового компьютера.

Всего полгода назад Лукин рассказывал на своей лекции в Москве как еще далеки мы от создания вычислительных машин основанных на квантовых эффектах и вот сегодня из его лаборатории поступила новость опережающая свое время. Оказалось, что будущее уже на пороге.


Лекция в Digital October

Под руководством Лукина группа ученых из Гарвардского университета смогла создать квантовые биты, хранящие информацию в течение примерно 2 секунд. Это примерно на 6 порядков дольше, чем в ходе предыдущих экспериментов. Отдельной особенностью созданного кубита стало то, что он способен работать при комнатной температуре.

Квантовый бит (или кубит) — это наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. По мнению исследователей, гарвардский эксперимент сделал на шаг ближе квантовые вычислительные системы.

Большинство существующих квантовых систем создаются на базе сложного и дорогого оборудования, включая установки, охлаждающие систему до абсолютного нуля (-273 по Цельсию). Группа ученых во главе с гарвардским профессором физики Михаилом Лукиным (Mikhail Lukin) использовала алмазы, выращенные в лабораторных условиях.

"То, что нам удалось достичь в плане контроля, — поистине беспрецедентно, — прокомментировал Лукин. — Мы получили кубит при комнатной температуре. Мы смогли записать информацию в него и сохранить ее в течение относительно долгого времени. Мы полагаем, что данный эксперимент имеет лишь технические ограничения. То есть выглядит вполне реальной возможность продления периода существования кубита на часы. В этом случае становится возможным внедрение реальных квантовых вычислительных систем".

^{Тень атома иттербия, фото до и после фильтрации}

Учёные из Центра квантовой динамики при университете Гриффита (Брисбен, Австралия) сумели первыми в мире сфотографировать тень отдельного атома. Учёные приблизились к теоретическому пределу микроскопии, потому что отдельный атом — это минимальный объект, который можно разглядеть в видимом свете.

Ученым из Калифорнийского университета Беркли удалось провести эксперимент, который позволяет утверждать, жив пресловутый кот или нет.

В офф-топик внесены изменения

Пост написан по следующей задумке алгоритму

1.Попытка взглянуть на потенциальные (почти фантастические) возможности квантовых компьютеров
2.Обзор новых исследований и достижений
3.Обьяснить феномен квантовой сцепленности на простом примере
4. Литература

Уплотняя с помощью JPEG и MPEG визуальные материалы, вдруг странная мысль пришла в голову: в случае с виртуальной картинкой или видео речь идет сжатии двухмерного обьекта. А как же быть с трехмерным объектом (например, описанием и сжатием информационного эквивалента антропоморфного обьекта)?



Все программы сжатия данных работают по одному и тому же принципу. Программа просматривает картинку строка за строкой и разыскивает смежные пикселы, имеющие один и тот же цвет. Ясно, что описание трехмерного обьекта потребовало колоссальной по объему информации. В большом компьютере Tianhe-1A (TH-1A), предназначенном для параллельной обработки данных, содержится эквивалент 50 тыс. процессоров. А что произойдет, если заставить работать в параллель эквивалент 32 млрд процессоров?

Хотя квантовые компьютеры существуют пока только в теории, но это не мешает делать обоснованные предположения об их будущей архитектуре и, что более важно, об интерфейсе взаимодействия с ними. Таким образом, уже сейчас есть возможность проектировать программные симуляторы квантовых компьютеров — и писать софт.

Группа американских учёных, получив финансирование от исследовательского центра Национальной разведки США (IARPA) разработала высокоуровневый язык программирования Quipper. Он создан на основе Haskell и лучше подходит для реализации квантовых алгоритмов, чем QCL (основан на C).

На сегодняшний день известно как минимум 45 алгоритмов для квантовых компьютеров. Все они описаны в научных статьях, но ни один не был реализован в программном коде. С появлением Quipper появилась такая возможность. В дальнейшем программисты смогут просто использовать готовые библиотеки для квантовых компьютеров, как они это делают сейчас на высокоуровневых языках для классической архитектуры.

Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) впервые в мире осуществили телепортацию квантовых битов информации с одного участка кремниевой микросхемы в другое место на той же микросхеме, на расстояние 6 мм. При этом они ещё и поставили мировой рекорд по количеству телепортированных кубитов: 10 000 в секунду.

Это принципиально важное достижение для создания квантовых компьютеров на кремниевых чипах.

Квантовый компьютер стал немножко ближе к реальности после эксперимента физиков из университета Саймона Фрейзера (Канада). Они смогли сохранить состояние кубита в комнатной температуре на протяжении 39 минут. Это значительное достижение, если учесть, что предыдущий мировой рекорд равнялся 25 секундам.



Для этого эксперимента кубиты получили из атомов фосфора, внедрённых в очень чистый кристалл кремния (на фото), путём бомбардировки их магнитными импульсами, чтобы вызвать квантовую суперпозицию.

АНБ финансирует разработку квантового компьютера, позволившего бы ему взломать практически любое шифрование, используемое сегодня, пишет The Washington Post. Пока что однако нет никаких свидетельств того, что агентству удалось продвинуться дальше, чем другим исследователям, которые над этим работают.

Благодаря документу, переданному Эдвардом Сноуденом, стало известно об исследовательской программе «Внедрение в сложные цели» с бюджетом 79,7 млн долларов, одной из целей которой является создание квантового компьютера, который может быть использован для криптографии. Согласно документу, большая часть исследований ведётся в физической лаборатории Мэрилендского университета. Как далеко продвинулась работа, в документе не раскрывается.