IBM Q5 и Q16: доступные в "облаке" 5 - и 16-кубитные квантовые компьютеры

Более 50 лет достижений в области математики, материаловедения и информатики превратили квантовые вычисления из теории в реальность. Сегодня к настоящим квантовым компьютерам уже можно получить доступ через "облако", и многие тысячи людей используют их для обучения, проведения исследований и решения сложных проблем.

Квантовые компьютеры могут однажды обеспечить прорыв во многих дисциплинах, включая научные открытия и создание новых лекарств, оптимизацию сложных систем и развитие искусственного интеллекта. Чтобы реализовать эти прорывы и сделать квантовые компьютеры широко применимыми и доступными, нам нужно переосмыслить способ обработки информации и сущность машин, которые "мыслят" иначе тех, которые нам привычны.

Мы используем преимущества классических вычислений каждый день. Современные компьютеры помогают нам, и развлекают нас, связывают нас с людьми по всему миру и позволяют обрабатывать огромные объёмы данных для решения проблем и управления сложными системами.
Однако есть проблемы, которые современные системы никогда не смогут решить. Для решения задач определенного масштаба и сложности недостаточно всех совокупных вычислительных мощностей на Земле. Чтобы иметь шанс решить некоторые из сложных проблем человечества, нужен новый тип вычислений: тот, чья вычислительная мощность также экспоненциально масштабируется в соответствии с ростом размера системы.

Все вычислительные системы опираются на фундаментальную способность хранить информацию и манипулировать данными. Современные компьютеры управляют данными в виде битов, которые хранят информацию в форме двоичных состояний 0 и 1. Миллионы битов работают вместе для обработки и отображения информации. Квантовые компьютеры используют различные физические явления - суперпозицию, запутанность и помехи - для манипулирования информацией. Для этого мы используем разные физические устройства: квантовые биты (или кубиты).
Суперпозиция относится к комбинации состояний, которые мы обычно описываем независимо. Провести доступную сознанию аналогию можно следующим примером: все мы слышали в музыке суперпозицию двух нот (аккорд).

Запутывание - классически противоречивый квантовый феномен, описывающий поведение, которого мы никогда не видели в повседневности. Таким образом, его невозможно объяснить с помощью классической логики. Эти квантовые состояния имеют фазу и поэтому могут подвергаться интерференции. Квантовая интерференция может пониматься аналогично интерференции волн; когда две волны находятся в фазе, их амплитуды складываются, а когда они не в фазе, их амплитуды аннигилируются.

Поклонники xkcd - «комикса о романтике, сарказме, математике и языке» - уже знают, что, когда предмет одновременно и философски возбуждающий, и математически сложный, легко выработать о нём странные коцепции.
Итак, в этом посте постараемся прояснить некоторую общую путаницу в том, что означают новые терминологии, и как на самом деле работают квантовые вычисления.

Начнём с суперпозиции.
На самом деле, сама суперпозиция - это то, что мы видим каждый день в нашем классическом мире. Представьте, что играете две ноты на гитаре; звук, который слышите при этом - и есть суперпозиция двух нот. Квантовые суперпозиции также состоят из комбинации состояний, за исключением ключевого различия, которое заключается в том, что происходит с ними при выполнении измерения. Несмотря на то, что система существует в совершенно чётко определенном состоянии суперпозиции, при выполнении определенных измерений получаются спорадические результаты. Таким образом, магия наблюдения определяется как особый вид квантовой случайности.

Идея запутывания состоит в том, что можно описать две запутанные частицы независимо друг от друга. Их состояния связаны друг с другом так, что их невозможно воссоздать в нашем классическом мире. Если я измерил одну из них, я мог бы заметить, что она вела себя случайным образом, и при этом она говорит мне, чего ожидать при измерении другой частицы. Как объясняет исследователь IBM Кристан Темме, это явление идеальной корреляции сохраняется, даже если Вы измеряете запутанные частицы на противоположных концах галактики. Использование запутанности для вычислений считается ключевым компонентом для ускорения вычислений с использованием квантовых компьютеров.

Как и в случае классических вычислений, при квантовых тоже необходим набор инструкций, которые представляют подход к решению проблемы (то есть алгоритм), и нужен компьютер, который может выполнять эти инструкции. Тот факт, что квантовые компьютеры способны на самом деле создавать суперпозиции, запутывание и другие квантовые эффекты, означает, что для них можно писать алгоритмы по-новому принципу, что было невозможно раньше с классическими машинами.

Наконец, мы переходим от осмысления того, что хотим сделать (т.е. создать суперпозицию, запутывание и т. д.), к действию на реальном квантовом компьютере с помощью опыта IBM Q.
Используются квантовые вентили или операции, которые изменяют состояния кубитов.
Как говорит сотрудник IBM и отец квантовой теории информации Чарли Беннетт: «Будьте готовы мыслить вне коробки, в которой существовали раньше». К настоящему времени мы начинаем понимать, что он имел в виду!

Чтобы наращивать вычислительную мощность квантовых систем, необходимы улучшения в двух измерениях. Одним из них является число кубитов; чем больше у вас кубитов, тем большим перечнем состояний можно в принципе манипулировать и хранить больше данных. Второе - добиться снижения частоты ошибок. Нам нужно уметь точно манипулировать состояниями кубитов и выполнять последовательные операции, которые дают ответы, а не шум.
Комбинируя эти две концепции, определяется единый показатель мощности квантового компьютера, который называется квантовым объёмом. Квантовый объём измеряет взаимосвязь между количеством и качеством кубитов, связностью каналов и частотой ошибок операций. Построение более крупных систем с меньшим уровнем ошибок приведет к открытию первых примеров квантового преимущества или приложений, в которых квантовые компьютеры смогут дать вычислительное преимущество для решения реальных задач.

Алгоритмы для типов квантовых систем, которые мы надеемся получить в будущем, были названы отказоустойчивыми универсальными квантовыми компьютерами, которые были одними из первых, разработанными в данной области. Это включает в себя некоторые из наиболее известных примеров: алгоритм факторизации и алгоритм необратимого поиска. В то время, когда алгоритмы имеют малое количество кубитов и операций, есть ошибки, которые можно компенсировать, чтобы получить среднее значение. Отказоустойчивые алгоритмы требуют длинных последовательных скоростей и высокой точности. При этом они демонстрируют, что определенные квантовые алгоритмы могут превзойти их классические аналоги.

iBM Q - это первая в отрасли инициатива по созданию универсальных квантовых компьютеров для бизнеса и науки. Междисциплинарная команда iBM разрабатывает масштабируемые квантовые системы и потенциальные приложения для технологий, которые мы делаем доступными сегодня. Доступ к квантовым устройствам IBM Q осуществляется с помощью Qiskit, модульной среды программирования с открытым исходным кодом. Всемирная сеть компаний, входящих в список Fortune 500, академических учреждений и стартапов, использует технологию IBM Q и сотрудничает с IBM Research для продвижения квантовых вычислений.
Кроме того, IBM Q предлагает разнообразный образовательный контент на всех уровнях.
Компания стремится сохранить своё лидерство в области квантовых вычислений и разработку дорожной карты инноваций для клиентов в IBM Q Network и расширенном сообществе IBM Q.

Несколько квантовых устройств IBM Q доступны для публичного использования через облако, в том числе 5- и 16-кубитные квантовые компьютеры доступны бесплатно через IBM Q Experience и Qiskit. Устройства на 20 кубитов доступны в сети IBM Q Network.
Чтобы функционировать правильно, квантовые системы IBM должны быть холодными. Любое тепло в системе может привести к ошибке, поэтому квантовые компьютеры работают при температурах, близких к абсолютному нулю - холоднее, чем вакуум пространства. Морозильник для охлаждения квантового компьютера, состоящий из более чем 2000 компонентов, использует свойства смешивания двух изотопов гелия, чтобы создавать внутри такую холодную среду для кубитов.

Qiskit - это основа квантового программирования с открытым исходным кодом, позволяющая использовать современные квантовые процессоры и проводить исследования. Он предназначен для людей разных профессий: квантовых исследователей, ученых, преподавателей, разработчиков и технических энтузиастов. Концепция Qiskit состоит из четырех основных элементов: Terra (основа кода, для составления квантовых программ на уровне схем и импульсов), Aqua (для построения алгоритмов и приложений), Ignis (для устранения шумов и ошибок) и Aer (симуляторы, эмуляторы и отладчики для ускорения разработок).

Постепенно растёт сообщество, в котором выросли IBM Q Experience и Qiskit. С момента его создания, десятки тысяч людей во всём мире использовали квантовые инструменты для обучения, проведения исследований, решения новых проблем и просто играли в игры на квантовом компьютере.
С момента появления первой системы IBM Q, доступной для публичного использования в облаке (в 2016 году), десятки тысяч людей по всему миру использовали системы IBM Q, Qiskit и IBM Q Experience для проведения исследований, решения новых проблем и изучения захватывающего мира квантовых вычислений. Это всемирное сообщество сотрудничает с группой экспертов IBM Q в области квантовой физики, проектирования систем, проектирования и разработки программного обеспечения. Каждый день работа этих людей и организаций продвигает вперёд квантовые вычисления и их потенциал для решения некоторых нерешаемых сегодня проблем человечества.

Представьте себе, если бы можно было путешествовать во времени, чтобы лучше подготовиться к появлению Интернета или мобильных устройств. IBM утверждает, что такая возможность уже существует сейчас с квантовыми вычислениями (не реальное путешествие во времени, а его моделирование). Сеть IBM Q также помогает моделировать будущее, что может помочь владельцам бизнеса правильно корректировать вектор развития своих компаний.

🖋 @goldenbogdan (RU).

В качестве основы для материала послужил ряд статей из блога iBM (перевод с английского).

Отдельная благодарность @netfriend, которая помогла мне разобраться с некоторыми физическими терминами, а также с самим квантовым компьютером.

⇩ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ:

💻 IBM Q Experience - удалённое подключение к квантовому компьютеру через "облако".

🌎 IBM Qiskit - открытые исходные коды для квантового программирования.

⛅ pCoud - облачное хранилище для информации, с криптографическим шифрованием данных.

👛 EXMO - биржа криптовалют, удобная для жителей России и Украины наличием множества торговых пар с рублём и гривной.