Квантовые компьютеры от Ходжи Насреддина

Однажды Ходжа Насреддин похвастался, что за 20 лет сможет научить своего осла говорить. Услышав об этом, эмир повелел заплатить Ходже 1000 таньга с условием, чтобы тот показал ему говорящего осла.

Дома жена Ходжи начала плакать и убиваться:
– И зачем ты обманул эмира, зачем взял деньги! Когда он поймет, что ты его обманул, он бросит тебя в темницу!
– Успокойся, жена, – ответил Насреддин, – и получше спрячь деньги. Я оговорил себе 20 лет сроку. За это время либо ишак издохнет, либо эмир…

По принципу Насреддина получают финансирование современные «нанотехнологи» и создатели «квантовых компьютеров», для прикрытия своей псевдодеятельности растрачивающие их заметную часть на разные форумы, куда собирают шизофреников.

«Мы сможем пересылать свои эмоции и чувства через сети». Это одна из самых запомнившихся фраз прошедшего на днях в Сколково форума «Открытые инновации» принадлежит теоретику и футурологу Митио Каку. Согласно другому его прогнозу, достижения квантовых технологий позволят сохранять память людям с болезнью Альцгеймера. Новый интернет, утверждает японский ученый, станет сетью, которая свяжет один человеческий мозг с другим без посредников.

Субъективное наблюдение за дискуссиями на «Открытых инновациях» позволило выявить два ключевых понятия, которые чаще других упоминались в течение трех дней работы форума, посвященного цифровой экономике. Это, разумеется, модный блокчейн и – квантовые технологии. Одна из панелей первого дня так и называлась: «Прикладные квантовые технологии. Как меняется мир?».
Зачастую рассуждения сводились к обсуждению возможностей квантового компьютера и основывались на том неочевидном предположении, что квантовый компьютер будет создан в самое ближайшее время.
В канун открытия форума журнал Nature Materials опубликовал статью профессора Сколтеха и Кембриджского факультета прикладной математики и теоретической физики Наталии Берловой (Natalia Berloff), в которой она рассказала как, что квантовые частицы поляритоны, комбинирующие в себе свет и материю, могут быть использованы для решения сложных проблем, и квантовый вычислитель, созданный с их участием, имеет потенциал превзойти возможности самых мощных суперкомпьютеров.
Понять, чем в точности занимаются Наталия Берлова и ее коллеги из Сколтеха, Кембриджа, и университетов Саутгемптона и Кардиффа невозможно.
Потому всякую измышленную ими «волшебную пыль», с помощью которой Наталия Берлова с товарищами намерена создавать новый тип суперкомпьютера, они описывают с помощью цитирования сказок.
Вот одна из таких их сказочных иллюстраций, поток бессмысленных мыслей: «Например, создать новую 38-ю пьесу Шекспира, проанализировав предыдущие 37, – задача высшей сложности, говорит профессор Берлова, равно как возможность полностью предсказывать поведение финансовых рынков или повернуть вспять эволюцию. Это равносильно тому, чтобы найти кратчайшую логическую цепочку в любом массиве данных, — рассуждает она. — Иными словами, человек начинает обладать божественной властью. Вопрос стоит так: давайте построим не универсальный квантовый компьютер, а сделаем нечто иное: решим конкретную задачу, на которую любая другая задача класса NP-полных задач может быть отображена. Когда один из создателей квантовой электродинамики американский физик Ричард Фейнман, исходя из предположения, что квантовую систему невозможно просчитать на компьютере, предложил создать новую квантовую систему, которую можно будет использовать, чтобы понять, что происходит в той системе, которую мы просчитать не можем. Отсюда возник термин квантовый симулятор, или квантовый вычислитель: одна квантовая система, которая ведет себя, как другая, но – в отличие от первой – полностью контролируема. В 1994 году Питер Шор создал алгоритм факторизации чисел — квантовый алгоритм разложения чисел на простые множители (алгоритм Шора). Он заявил (по типу Насреддина), что если будет создан универсальный квантовый компьютер, на нем можно будет быстро разложить на простые множители такие большие числа, на которые классическому компьютеру с помощью лучших алгоритмов понадобится не один миллион лет. В последние лет пять появилась концепция, которая иногда использует термины «квантовый компьютер», «квантовый симулятор», но на самом деле это ни то, ни о другое, если иметь в виду оригинальное их понимание, — продолжает она. – Имеется в виду квантовая система, которая решает конкретные сложные задачи, неподвластные классическому компьютеру, но при этом используется какой-то другой принцип нахождения решения. Это уже отошло от концепции Фейнмана о том, что мы симулируем одну квантовую систему другой. И это не универсальный квантовый компьютер. Это совершенно другая концепция. Но поскольку речь идет о квантовой системе, не нашли ничего лучшего, как по-прежнему использовать ту же самую терминологию. На самом деле терминологию пора менять, потому что это другой класс оптимизаторов».

Если вы смогли терпеливо дочитать до этого момента, то у вас имеется вопрос, какие задачи сможет решать «другой класс оптимизаторов», для которого еще не найдено адекватное имя.

Берлова как бы отвечает: «Теория вычислений дает понимание того, какие задачи сложные, какие – легкие. «Есть какое-то множество задач, которые может эффективно решить классический компьютер. Это задачи, требующие для своего решения количество операций, которое растет, как степенная функция с числом переменных, параметров и связей между ними. Классический компьютер легко справляется с таким количеством операций даже для больших задач. Проблема в том, что задачи, которые общество хочет решать, в основном не принадлежат к этому классу, для них у нас нет эффективных полиномиальных (степенных) алгоритмов».
Мы не пытаемся найти полиномиальный алгоритм, мы просто хотим быть быстрее, чем классический компьютер, это уже дает нам огромное преимущество в создании искусственного интеллекта, расшифровки любых кодов и т.д.»

Проиллюстрировал цель создания квантового компьютера профессор Сколтеха: «Зачастую реальная сложность задачи скрыта за ее кажущейся простотой. Такова известная задача коммивояжера. (Таких задач уровня компьютерных игр, сейчас известно 3 тысячи.) Дан набор городов, требуется найти оптимальный путь между этими городами. В действительности эта задача относится к числу самых сложных; эффективного (растущего как степенная функция) способа ее решения не существует. Если я буду искать оптимальное решение перебором, то для всего лишь 70-ти городов потребуется потратить миллиард лет на работу суперкомпьютера. При увеличении количества городов сложность возрастает экспоненциально. Есть более быстрые алгоритмы решения, которые используют внутреннюю структуру задачи, но и они не могут преодолеть экспоненциальный рост количества операций с ростом числа городов. И это грустно…».
Нахождение ответов на подобные задачи, как выражается Наталия Берлова, дает человеку «божественную власть».
Интересно, что Берлова в своём выступлении как бы страхуется от того, что к тому времени, когда «через 20 лет ишак должен заговорить» он так и будет молчать: «Другое дело, что, как можно предположить, божественная власть нам все-таки не под силу. Что бы вы ни делали, экспоненциальный рост, наверное, где-то себя проявит. Для перебора всех вариантов экспоненциально растущей задачи универсальный квантовый компьютер (если такой будет построен, что вообще-то не факт) дает совсем небольшое улучшение в сравнении с классическим компьютером. То есть на решение задачи вместо миллиона лет потребуется несколько тысяч лет. Поэтому вопрос стоит так: давайте построим не универсальный квантовый компьютер, а сделаем нечто иное: решим конкретную задачу, на которую любая другая задача класса NP-полных задач может быть отображена. В нашем случае, это нахождение абсолютного минимума модели XY. Речь идет о функции в пространстве большой размерности, и вам надо найти самую низкую точку этой функции».

Что же собственно сделала группа российских и британских исследователей.

В 2014 году Сколтех пригласил Берлову принять участие в прогулке на теплоходе по реке, так называемом «Форсайт-флоте». РВК, организующая этот форум, так определяет его: ««Форсайт-флот» это формат групповой коммуникации, в ходе которой участники совместно разрабатывают дорожные карты отраслевого и территориального развития и проекты по наиболее значимым и перспективным направлениям».
Наталия Берлова поначалу принимала участие в дискуссиях, а затем заперлась в своей каюте и начать делать расчеты. «Так родилась теоретическая часть этой работы, — рассказывает она. – Я потом сказала [вице-президенту Сколтеха — Sk.ru] Алексею Ситникову, что очень благодарна ему за приглашение. Так спокойно мне давно не работалось». Выдумка Берловой оказалась настолько странной, что ее последовательно отказались печатать три научных журнала. А один из рецензентов заявил, что только сумасшедший попытается это реализовать. «Реализацией» занялись в Сколтехе.
Группа Наталии Берловой предложила новую концепцию квантового симулятора. В ее основе – поляритон, гибридная частица, состоящая из света и вещества. В отличие от атомов, эти частицы не являются «естественными», но создаются внутри встроенных в наноструктуры полупроводников. С помощью лазера на тончайших слоях напылений атомов галлия, мышьяка, индия и алюминия создается та самая «волшебная пыль»: расположенные на тонких атомных слоях, электроны поглощают и излучают свет определенного цвета. Этот свет отражается от зеркал и возвращается в т.н. «квантовые ямы», возбуждая электроны при каждом таком возврате. Что создает непрерывное колебание энергии между светом и веществом. Вот так, собственно, и образуются поляритоны, которые, благодаря фотонной составляющей, в тысячи раз легче электронов и в миллиарды раз – обычных атомов.
Роль поляритонов сродни роли маяка: «волшебная пыль» начинает светиться (превращаться в новое состояние вещества – конденсат Бозе-Энштейна) только в абсолютном минимуме функции большой размерности.
«Мы только начинаем изучать потенциал поляритонных графов для решения сложных задач, — приводит пресс-релиз Кембриджского университета слова соавтора исследования Павлоса Лагудакиса, руководителя лаборатории гибридной фотоники в Сколтехе и Саутгемптонском университете. – В настоящее время мы масштабируем наше устройство до сотни узлов, проверяя его фундаментальную вычислительную мощность. Наша конечная цель – микрочиповый квантовый вычислитель, работающий в нормальных условиях окружающей среды».

Вот такой супердорогой светодиод создали в Сколтехе. Конечно, как компьютер он не работает.

Похожие статьи

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *