Квантовые технологии

Два года назад, листая старую тетрадь с вычислениями, я наткнулся на явную ошибку в одном уравнении. Находясь в совершенном ужасе — это уравнение-то было опубликовано в научном журнале месяцем ранее, — бросил все дела и стал срочно переделывать расчет. И ошибка никуда не делась.



Как баг превратился в фичу, о научном прогрессе и всех приключениях в попытках опубликоваться в Nature. Спойлер: почти получилось.

Это перевод статьи Элиезера Юдковского, из научно-популярного цикла, посвященного многомировой интерпретации квантовой механики. Начало цикла было переведено на хабре, но потом переводчик видимо подустал. Его можно понять — материал очень объемный. Юдковский любит растекаться мыслию по древу. С другой стороны, материал действительно сложный, а повторение разными словами одного и того же позволяет картинке в голове неподготовленного читателя хоть как-то уложиться. Я не возьмусь продолжить перевод всего цикла, но попробую перевести пару наиболее важных статей.

Я пропущу статьи цикла про пространства состояний (классическое и квантовое) — концепция используется много где, и должна быть знакомой технически подготовленному читателю. А также пропущу фейнмановские интегралы по траекториям — с ними можно ознакомиться в прекрасном научно-популярном первоисточнике.

А вот следующий пост отвечает на важный вопрос. Если "настоящий" мир на фундаментальном уровне — квантовый, где все запутано, и все влияет друг на друга, откуда вообще берутся классические системы? Почему "естественные" квантовые явления мы видим так редко в обычной жизни? Это то что автор называет "классической галлюцинацией". Почему, например, создателям квантовых компьютеров нужно прикладывать такие огромные усилия, чтобы сохранить систему в "естественном" запутанном состоянии?

Доброй субботы, Хабр!

Сегодняшний перевод самым непосредственным образом вписывается в наши поиски, связанные с литературой по квантовым вычислениям, и может считаться базовым материалом о том, какие опасности или, наоборот, возможности, привносит квантовый компьютер в технологии блокчейна. Падут ли они под натиском новых квантовых возможностей или, наоборот, станут еще более неуязвимыми?

Тем временем, следите за рекламой — книга Владимира Силвы на подходе — и не забудьте поучаствовать в голосовании.

Доктор Маттиас Тройер, исследователь квантовых вычислений в Microsoft, получил одну из самых престижных наград в области теоретической физики в Германии – Гамбургскую премию – за значительный вклад в развитие квантового метода Монте-Карло.

Методы Монте-Карло – группа численных методов для изучения случайных процессов. Квантовые методы Монте-Карло применяются для исследования сложных квантовых систем. Они предсказывают поведение мельчайших частиц в квантово-механических системах.

Понятное для тех, кто захочет разобраться, конечно. Пост состоит из трех частей. Для понимания сути явления, достаточно ознакомиться только со второй частью.

1. Вводная (зачем, да почему)
2. Конкретные расчеты
3. Философско-практическая часть.

1. Вводная (зачем, да почему)

Сподвигло меня на этот пост следующее обстоятельство. В инете достаточно много материалов на эту тему. Однако 80% процентов из них страдают трагическим недостатком – они достаточно подробно рассказывают, почему классическая логика не права и ограничиваются констатацией факта, что в квантовой механике все по-другому и наблюдения соответствуют предсказанным ей значениям. Остававшаяся часть грузит математическим аппаратом и после вереницы формул говорит – ну вот видите, будет вот так-то. После этого возникает ощущение боли от изнасилования мозга, ибо реального удовольствия понимания при этом не возникает.

А понимания хочется, т.к. по моему глубокому убеждению, все-таки следующий революционный скачок технологий, будет связан с овладением человечеством квантовой мощью. И подобно тому, как в 60-х люди даже вообразить не могли, как эти громадные железки занимающие целые подвалы, изменят нашу жизнь, радикально уменьшив размеры и увеличив мощь, так и сейчас мы не представляем себе весь потенциал неуклюжих прототипов с 50 кубитами.

«Думаю, я смело могу сказать, что квантовую механику никто не понимает», — Ричард Фейнман

Тема квантовых вычислений всегда привлекала технических писателей и журналистов. Ее потенциал в области вычислений и сложность придали ей некий мистический ореол. Слишком уж часто тематические статьи и инфографика подробно описывают всевозможные перспективы этой отрасли, при этом едва затрагивая вопросы ее практического применения: это может ввести в заблуждение не слишком внимательного читателя.

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.