Квантовые технологии

В преддверии старта нового потока по курсу «Нейронные сети на Python» подготовили для вас перевод интересной статьи.

---

Одна из самых главных проблем в реализации нового поколения квантовых компьютеров заключается в их самой базовой конситуэнте: кубите. Кубиты могут взаимодействовать с любыми объектами в непосредственной близости, которые переносят энергию близко к их собственным блуждающим фотонам (т.е. нежелательные электромагнитные поля, фононы (механические колебания квантового устройства) или квантовые дефекты (неровности на поверхности чипа, появившиеся на этапе производства), которые могут непредсказуемо менять состояние кубитов самостоятельно.

У Google есть больше вычислительных мощностей, данных и талантливых специалистов для работы над искусственным интеллектом, чем у любой другой компании на Земле – и она не замедляет темп. Поэтому не должны замедлять темп и люди.

Человеческий мозг – забавная штука. Какие-то воспоминания остаются с нами навсегда: рождение ребёнка, автомобильная авария, день выборов. Но мы можем сохранять только некоторые детали – цвет двери акушерского отделения, запах избирательного участка – а другие подробности, типа лица медсестры, или то, как мы были одеты в момент ДТП, исчезают. Сундар Пичаи, генеральный директор Google, навсегда запомнит день, когда ИИ вышел из лаборатории.

«Это было в 2012-м, я находился в одной комнате с небольшой командой, где было всего несколько человек», — рассказывает он. Джефф Дин, легендарный программист из Google, помогавший писать поисковый движок, работал над новым проектом, и хотел, чтобы Пичаи на него взглянул. «Каждый раз, когда Джефф хочет показать вам что-то новое, вы испытываете радостное возбуждение», — говорит он.

Я давно интересуюсь квантовыми вычислениями и пишу программы для 5- и 14-кубитных квантовых компьютеров IBM Q Experience. Сегодня я расскажу о технологиях, которые можно будет применять в машинном обучении после того, как квантовые вычисления завоюют мир. Спойлер для дата сайентистов: в будущем у вас не получится запустить модель и уйти пить кофе на полдня. Квантовый компьютер щелкает задачи машинного обучения на раз, и отговорки вроде “модель обучается” уже не пройдут. Придется запускать не одну модель, а по меньшей мере миллион.

По криптовалютным форумам и телеграм-чатам упорно продолжают курсировать слухи о том, что причиной недавнего внушительного проседания курса BTC стала новость о достижении компанией Google квантового превосходства. Эта новость, изначально размещенная на сайте NASA, а затем распространенная The Financial Times, случайно совпала по времени с внезапным падением мощности сети биткоин. Многие решили, что это совпадение означало взлом и заставило трейдеров сбросить изрядное количество биткоинов. Мол, из-за этого курс монеты был подтоплен на целых 1500 “мертвых президентов США”. Слух упорно не хочет умирать и подпитывается твердой убежденностью общественности в том, что развитие квантовых вычислений — есть гарантированная смерть блокчейнов и криптовалют.



Основой для подобных заявлений стала работа, результатами которой в 2017-м году поделился arxiv.org/abs/1710.10377 коллектив исследователей исследовавших проблему “квантовой угрозы”. По их мнению, подавляющее большинство криптопротоколов, обеспечивающих транзакции в распределенных реестрах, уязвимы для мощных квантовых компьютеров. Я проанализировал опубликованную в сети информацию относительно т.н. “квантовой уязвимости блокчейнов в целом и криптовалют в частности. Далее — результаты анализа и сопоставления существующих фактов о возможности успешной атаки на биткоин.

В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило квантовый алгоритм Гровера, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.

Криостат квантового компьютера, собранного в НИТУ «МИСиС».

Вероятность можно представлять себе разными способами. И квантовая механика охватывает их все

Статья Шона Кэрролла, профессора теоретической физики из Калифорнийского технического института

В философском "Эссе о вероятностях", опубликованном в 1814 году, Пьер-Симон Лаплас ввёл печально известное гипотетическое существо: «обширный интеллект», знающий полное физическое состояние Вселенной. Для такого существа, прозванного поздними комментаторами "демоном Лапласа", не будет никаких загадок относительно случившегося в прошлом или того, что случится в любой момент будущего. В рамках описанной Исааком Ньютоном «вселенной как часового механизма», прошлое и будущее определяются настоящим.

Из блога Скотта Джоэла Аронсона, специалиста в области теории вычислительных машин и систем, преподавателя факультета компьютерных наук Техасского университета в Остине

Вы читали эти истории – в Financial Times, Technology Review, CNET, Facebook, Reddit, Twitter, [на Хабре / прим. перев.] или где-то ещё – о том, что группа исследователей в Google достигла квантового вычислительного превосходства со своим сверхпроводящим устройством из 53 кубитов. Их легко найти, но ссылок на них я давать не буду – просто потому, что они пока не должны существовать.

Миру известно, что Google действительно готовит большой анонс квантового превосходства, который должен выйти одновременно с публикацией исследовательской работы в одном из уважаемых научных журналов. И это, скорее всего, произойдёт в течение месяца.

Тем временем НАСА, участвовавшее в этой разработке, случайно выложило старую версию работы Google на общедоступном сайте. Она пробыла там недолгое время, но достаточное для т ого, чтобы попасть в Financial Times, мою папку «входящие» и миллионы других мест. Рассуждения об этой работе, лишённые фактов, предсказуемо распространились повсюду.

Пару дней назад в сеть утек черновик статьи от Google о достижения ими квантового превосходства в сверхпроводящем квантовом компьютере. Сам текст быстро убрали, а вокруг него множатся слухи и предположения, в том числе и ошибочные. Автор поста — профессор Скотт Ааронсон — один из главных специалистов по квантовым алгоритмам, и ведет отличный блог. В последнем посте он отвечает на главные вопросы о квантовом превосходстве.

На Хабре периодически появляются статьи и комментарии о чудесах квантовой физики: квантовом ластике и слабых измерениях. К сожалению, слишком часто о них говорят как о загадочных и непонятных явлениях, позволяющих творить чуть ли не магию, хотя на самом деле нет в них ровным счетом ничего удивительного. В этом посте я перевожу статью Шона Кэрролла о квантовом ластике с отложенным выбором. Пусть он будет отправной точкой для обсуждения в комментариях всяких хитростей квантовой механики.

Над какими квантовыми проектами работают российские и иностранные инженеры.

Чистую, подтверждаемую случайность тяжело найти. Два новых предложения показывают, как сделать из квантовых компьютеров фабрики случайных чисел.

Скажите на любом собрании специалистов по информатике «квантовое превосходство», и вы, вероятно, увидите, как они закатывают глаза. Эта фраза относится к идее о том, что квантовые компьютеры скоро перейдут рубеж, за которым они станут с относительной лёгкостью выполнять задачи, чрезвычайно сложные для классических компьютеров. И до недавнего времени эти задачи считались малополезными для реального применения – отсюда и закатывание глаз.

Но теперь, когда, как говорят, процессор от Google близок к этой цели, у неизбежного квантового превосходства может появиться важное применение: генерирование чистой случайности.

Случайность важна практически для всего, что происходит в инфраструктуре вычислений и коммуникаций. В частности, её используют для шифрования данных, защищающей всё, от обычных разговоров до финансовых транзакций и государственных секретов.

Мы недавно сделали эксперимент по проверке нового подхода к снижению квантовых шумов в LIGO и написали статью про это, смотрите на arXiv: «Demonstration of interferometer enhancement through EPR entanglement». А тут я расскажу, какие такие квантовые шумы в LIGO, как их можно снизить, и при чем тут квантовая запутанность и сжатый свет.

UPD статья опубликована в Nature Photonics.

Закон Нивена говорит, что квантовые компьютеры улучшаются с «дважды экспоненциальной скоростью». Если он выдержит проверку временем, то ждать квантового превосходства осталось недолго.

Квантовый процессор Foxtail от Google

В декабре 2018 года учёные из Google AI провели вычисления на лучшем квантовом процессоре от Google. Им удалось воспроизвести эти вычисления на обычном ноутбуке. Затем в январе они запустили тот же тест на улучшенной версии квантового чипа. На этот раз для симуляции результата им понадобился уже мощный настольный компьютер. А к февралю у них уже не нашлось классических компьютеров, способных симулировать своих квантовых соперников. Для этого исследователям пришлось запрашивать процессорное время на огромной сети серверов.

«Где-то в феврале мне пришлось сделать несколько звонков и сказать: „Эй, нам нужно побольше квоты“, — сказал Хартмут Нивен, директор лаборатории квантового искусственного интеллекта Google. „Мы запускали задачи, требовавшие миллиона процессоров“.

Идёт гонка за создание новых способов защиты данных и коммуникаций от угроз, исходящих от сверхмощных квантовых компьютеров

Мало кто из нас обращал внимание на небольшой символ замочка, появляющийся в наших веб-браузерах каждый раз, когда мы заходим на сайт интернет-магазина, отправляем и получаем емейлы, проверяем наш банковский счёт или кредитную карту. Однако он сигнализирует о том, что онлайн-сервисы используют HTTPS, веб-протокол, шифрующий данные, которые мы отправляем по интернету, и те ответы, что мы получаем. Эта и другие формы шифрования защищают различные электронные коммуникации, а также такие вещи, как пароли, цифровые подписи и истории болезней.

Квантовые компьютеры могут подорвать эту криптографическую защиту. Сегодня эти машины пока недостаточно мощны, но они быстро эволюционируют. Возможно, что не позднее, чем через десять лет – а возможно, и раньше – эти машины смогут стать угрозой для широко используемых методов криптографии. Именно поэтому исследователи и компании, занимающиеся безопасностью, наперегонки разрабатывают новые подходы к криптографии, которые смогут выдержать будущие квантовые атаки хакеров.

Для оценки быстродействия суперкомпьютера специалисты по информатике обращаются к стандартному инструменту: набору алгоритмов LINPACK, помогающему проверить, как машина способна решать задачи с огромным количеством переменных. Но для квантовых компьютеров, которые однажды смогут решать задачи, недоступные обычным компьютерам, такого стандарта по измерению быстродействия не существует.

Одна из причин состоит в том, что компьютеры, которые должны будут задействовать законы квантовой механики для ускорения определённых вычислений, пока что находятся в рудиментарном состоянии, а различные возможные схемы устройства таких компьютеров конкурируют между собой. В некоторых из них квантовые биты, или кубиты, используемые для вычисления, заключены в спины последовательности «пойманных» ионов, другие же полагаются на кусочки сверхпроводящих металлов, резонирующих в ответ на микроволновое излучение. Сравнение зачаточных архитектур похоже на то, «как если бы мы отправились в ясли, чтобы решить, какие из младенцев станут известными баскетболистами», говорит Скотт Ааронсон, специалист по информатике из Техасского университета в Остине.

Многие считают, что сложнее классической физики может быть только квантовая. Однако куда сложнее изучать системы, которые находятся, так сказать, на стыке этих двух миров. Если в квантовую систему добавлять все больше и больше частиц, то она начнет терять свои квантовые свойства и превращаться в более классическую. Этот процесс именуют квантово-классическим переходом. Чтобы изучить такую систему, классических компьютеров будет недостаточно, потому ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили свой собственный алгоритм, который в сопряжении с квантовыми компьютерами из пары сотен кубитов сможет разгадать тайны квантово-классического перехода. Как работает алгоритм, почему меньше формул значит лучше и какое применение сего алгоритма на практике? Об этом и не только мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Вселенная задач, проверяемых компьютером, выросла. Благодаря какому секретному ингредиенту это произошло? Из-за квантовой запутанности.

Представьте, что некто пришёл к вам и заявил, что у него есть оракул, способный раскрыть сокровенные тайны вселенной. Вы могли бы заинтересоваться этим, но вам тяжело было бы в это поверить. Вы бы хотели придумать способ подтвердить, что оракул говорит правду.

Такова основная проблема информатики. Некоторые задачи слишком сложно решить за разумное время. Но их решения просто проверить. Учитывая это, специалистам по информатике хочется знать: насколько сложной может быть задача, решение которой всё ещё можно проверить?

Оказывается, что ответ на этот вопрос: практически невообразимо сложной.

История квантовой криптографии началась не с технологий связи, а с попытки решить совершенно другую задачу — создать деньги, которые невозможно подделать.

Стивен Визнер из Колумбийского университета в 1983 году предложил создать квантовые банкноты государственного образца, которые нельзя скопировать даже в том случае, если у желающего сделать это есть типографское оборудование и бумага, при помощи которых изготавливался оригинал. Вероятность изготовления точной копии оригинала, защищенного квантовыми технологиями, стремится к нулю.

Мы все знакомы с различными супергероями и их уникальными способностями, хотим мы того или нет. Потому вопрос о том, какую бы вы хотели иметь суперспособность, не такой и редкий. Кто-то хотел бы быть невероятно сильным, как Халк, кто-то — быстрым, как Флеш, а кто-то не отказался бы от суперспособности Бэтмена — денег. А вот те, кто хоть раз находился в пробке длиной от Марса до Венеры, все бы отдали за возможность телепортироваться. Концепция телепортации звучит весьма увлекательно с точки зрения научной фантастики, однако в реальности эта суперспособность также существует, но наделены ею далеко не люди. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Йокогамского университета (Япония) смогли телепортировать информацию внутри алмаза. Как ученые это сделали, каким боком тут квантовая физика, и что это значит для будущего технологий хранения данных? Ответы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Мощность квантового компьютера измеряется в кубитах, базовой единице измерения в квантовом компьютере. Источник.

Я делаю фейспалм после каждого прочтения подобной фразы. До добра это не довело, начало садиться зрение; скоро придется обращаться к Meklon.

Думаю, пора несколько систематизировать основные параметры квантового компьютера. Их несколько:

1. Количество кубитов
2. Время удержания когерентности (время декогеренции)
3. Уровень ошибок
4. Архитектура процессора
5. Цена, доступность, условия содержания, время амортизации, инструменты программирования, и т.д.