Разрабатывают суперкомпьютер совместно Google и NASA

Google в партнерстве с НАСА и Национальной лабораторией Ок-Риджа продемонстрировали способность за считанные секунды вычислить то, для чего самым совершенным и новейшим суперкомпьютерам потребовалось бы 1000 лет, и все это благодаря новой вехе, известной как квантовое превосходство.

«Квантовые вычисления все еще не идеальны, но мы совершенствуем их и движемся вперед», - сказал Юджин Ту, директор центра НАСА в исследовательском центре Эймса в Силиконовой долине Калифорнии. «Наши миссии в ближайшие десятилетия на Луну, Марс и за его пределы основаны на инновациях, подобных этой».

Что же такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления - это изучение того, как использовать уникальные свойства квантовой механики для решения определенных типов задач гораздо быстрее, чем на традиционных компьютерах.

Потенциально НАСА может однажды использовать эти методы для поддержки космических миссий, с помощью квантовой оптимизации, делающей графики миссий более эффективными, а также для квантового моделирования, поддерживающего проектирование легких и надежных материалов для современных космических аппаратов - и это лишь некоторые из приложений.

Эта веха является первым шагом к подобному будущему. «Достижение квантового превосходства означает, что мы смогли сделать только одну вещь быстрее», - сказала Элеонора Риффель, соавтор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature и ведущей лаборатории квантового искусственного интеллекта в Эймсе. «И,хотя это и не звучит так, это поистине величайшее из того, что мы когда-либо делали».

Тестирование системы

В статье описываются эксперименты, проводимые квантовым процессором Google Sycamore для демонстрации квантового превосходства. Вычисления на квантовом компьютере называются «квантовыми цепями».

Эти абстракции информатики работают как программы, определяя серию операций для запуска квантового процессора. Сам тест включал запуск случайных квантовых цепей на квантовых процессорах, а также на традиционных суперкомпьютерах.

Получение результатов от случайного квантового контура трудно без квантового процессора, и теория предполагает, что это может быть невозможно для задач сверх определенного размера, даже на самом большом суперкомпьютере. Вам нужно больше единиц данных, чем атомов во вселенной. Именно то, что считается невыполнимым – идеально подойдет для тестирования. И квантовому процессору, и суперкомпьютеру давали все более сложные и случайные схемы для вычислений, пока суперкомпьютер не выдавал ошибку при обработке.

Чтобы найти этот предел, исследователи из Эймса продвинули методы для моделирования этих вычислений случайных квантовых цепей с использованием суперкомпьютерных средств НАСА. В какой-то момент, даже несмотря на все хитрости, с которыми столкнулись эксперты по квантовым вычислениям и суперкомпьютерам НАСА, этот симулированный «компьютер в компьютере» был не в состоянии справиться со случайными схемами, передаваемыми ему, - и это стало планкой, установленной для квантовой системы Google.

Квантовый компьютер Google смог принять эти случайные схемы и получить результаты, достигнув этого эталона. Но как можно было узнать, был ли этот вывод верным и действительно ли достигнуто квантовое превосходство? Невозможно использовать традиционный суперкомпьютер для проверки подобных вычислений - весь смысл этой вехи в том, что квантовый процессор сделал то, что не может сделать ни одна другая машина.

Чтобы убедиться, что этот рубеж действительно достигнут, НАСА и Google обратились к Национальной лаборатории Ок-Риджа, штат Теннесси, где находится Саммит - самый мощный суперкомпьютер в мире. Там они проверили, совпадают ли результаты квантового компьютера с результатами Саммита вплоть до предела квантового превосходства, и обнаружили, что все-таки сделали все верно, достигнув предела.

«Начиная с 2013 года мы, совместно с Google, работаем над дальнейшим демистификацией возможностей вычислительной техники в квантовом мире», - сказал Рупак Бисвас. «Сегодняшнее достижение квантового превосходства является захватывающей вехой».

Немного о квантовом мире

«Квант» - это мельчайшая составляющая любой физической вещи, необходимой для взаимодействия с чем-то другим, обычно относящимся к мельчайшим единицам энергии или материи. Квантовый мир - странная и красивая часть природы, невидимая для нас. Даже если бы вы могли уменьшиться до размеров муравья вплоть до субатомных размеров, сам факт наблюдения чего-либо в квантовом масштабе меняет его поведение.

Несмотря на то, насколько неуловимым может быть наблюдение, математика, лежащая в основе работы квантовой механики, хорошо понятна и непротиворечива, даже если мы не понимаем, почему. Из-за этой последовательности, компьютерные ученые, физики и инженеры могут создавать компьютеры, разработанные для использования этих уникальных свойств. То, что называется квантовой суперпозицией, позволяет одному кубиту - единице данных в квантовом компьютере - существовать как различные величины одновременно.

Квантовая запутанность является еще одним свойством, которое неразрывно связывает две частицы, независимо от расстояния, обеспечивая корреляции, которые невозможно найти в мире классической механики. Как будто две частицы танцуют синхронно, независимо от того, соединены ли они вплотную или находятся на расстоянии нескольких световых лет. Квантовые компьютеры могут использовать эти соотношения для хранения, передачи и вычисления информации способами, невозможными на традиционных компьютерах.

Достижение квантового превосходства открывает возможность экспериментировать и разрабатывать технологии квантовой обработки гораздо быстрее по всем направлениям - в основном из-за беспрецедентной степени контроля над квантовыми операциями, возможными в оборудовании Google. Достижение квантового превосходства означает, что теперь существуют вычислительные мощности и механизмы управления, позволяющие ученым уверенно компилировать свой код и смотреть, что происходит за пределами того, что можно сделать на суперкомпьютерах.

Эксперименты с квантовыми вычислениями теперь возможны так, как никогда раньше. «Когда я попал в эту область в 1996 году, я не был уверен, что буду жив, когда мы дойдем до этого момента», - сказал Риффель. «Теперь мы можем поиграть с квантовыми алгоритмами, которые мы не могли запустить раньше. В квантовых вычислениях есть все эти неизвестные, и просто невероятно захватывающе вступить в эру, когда мы можем исследовать эти неизвестные и посмотреть, что из этого всего выйдет».