Фотонный компьютер в россии

Фотонный компьютер в россии

В России создан и успешно протестирован прототип первого отечественного квантового компьютера. Над ним работали специалисты НИТУ «МИСиС» и МГТУ им. Баумана, и в нем используются кубиты из сверхпроводящих материалов. Их применение обусловило ряд преимуществ российского квантового компьютера над аналогами на базе с кубитами на отдельных атомах и ионах.

Отечественный квантовый компьютер

В Национальном исследовательском технологическом университете (НИТУ) «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Об этом CNews сообщили представители вуза. Разработка компьютера стартовала три года назад, в 2016 г. в рамках проекта Фонда перспективных исследований.

Прототип квантового компьютера доказал свою работоспособность, превысив ранее определенный предел точности на 3%. В процессе тестирования компьютер, основанный на двух кубитах, успешно выполнил алгоритм Гровера – алгоритм перебора для функции. Компьютер он успешно перешагнул порог 50%-ной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.

Кто занимался разработкой

Создание российского квантового компьютера возглавил главный научный сотрудник Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Валерий Рязанов. В качестве основы для кубитов в нем могут использоваться особые сверхпроводящие материалы.

Специалисты НИТУ «МИСиС» занимались проектированием чипа для квантового компьютера, а его изготовление было доверено МГТУ им. Баумана. В дальнейшем сотрудники НИТУ «МИСиС» выполнили наладку и запуск устройства.

Для работы квантового компьютера в Лаборатории выстроен специальный комплекс оборудования с криостатами, используемого в качестве системы охлаждения. Она спроектирована для обеспечения работы компьютера при сверхнизких температурах – вплоть до -273,14 градусов по шкале Цельсия, что приблизительно равно абсолютному нулю (-273,15 градусов).

Преимущества сверхпроводящих материалов

По словам представителей университета, в сравнении с аналогичными квантовыми компьютерами отечественный прототип на сверхпроводящих материалах можно считать более совершенным. Его сравнили с разрабатываемыми сейчас компьютерами, в которых используются кубиты на отдельных атомах. Как отметили специалисты, кубиты такого рода могут в определенном смысле «потеряться» по причине их сверхмалых размеров.

Также ученые провели сравнение с кубитами на основе ионов, и оно снова оказалось в пользу сверхпроводящих материалов – ионы, по их словам, можно выстраивать только линейно, что «физически неудобно».

Используемые в прототипе российского квантового компьютера выполнены из алюминия, и «потерять» их невозможно за счет большего по сравнению с кубитами на отдельных атомах размеров – 300 микрон. К тому же, в отличие от кубитов на ионах, алюминиевые российские кубиты можно выстраивать нелинейно.

Важность выполнения алгоритма Гровера

Инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Илья Беседин заметил, что успешное выполнение алгоритма Гровера именно на двух кубитах является важным шагом на пути к созданию квантового компьютера. «Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причём с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», – отметил Беседин.

Следует отметить, что демонстрация выполнения данного алгоритма на квантовых компьютерах проводилась и раньше, в других странах. Об этом сказал и сам Илья Беседин, подчеркнув, что в данном случае речь не о первенстве, а о технологическом достижении.

Квантовая лихорадка

Над созданием квантовых компьютеров работают ученые и компании многих стран мира. Так, 21 сентября 2019 г. стало известно, что созданный корпорацией Google квантовый компьютер за три минуты выполнил задачу, на которую самому мощному на сегодняшний день компьютеру нужно 10 тыс. лет. Об этом сообщило издание Financial Times.

Читайте также:  Samsung завис на логотипе

«Совсем недавно в прессу попали ещё не опубликованная официально статья компании Google, которым удалось реализовать на 53-кубитном сверхпроводниковом квантовом процессоре алгоритм «квантового превосходства». Задача «квантового превосходства» — это наиболее благоприятная именно для квантового компьютера задача, которую при этом очень сложно выполнить на классическом компьютере. И если у нас преодоление «классического» предела – это всё-таки фундаментальный результат, то результат Google – это уже ближе в практическую сторону: они смогли сформулировать и решить задачу, которую их процессор может выполнить за минуты, а мощный суперкомпьютер проверял неделями», – отметил Илья Березин.

На день раньше, 20 сентября 2019 г., был создан квантовый компьютер «для бедных», способный работать при комнатной температуре, о чем сообщал CNews. Исследователи из японского Университета Тохоку и американского Университета Пердью создали нетрадиционную спинтронную вычислительную схему и доказали с ее помощью практическую применимость концепции так называемых «вероятностных» вычислений. Опираясь на законы спинтроники, группа ученых создала вероятностный компьютер на базе p-битов, которые могут использоваться как квантовые кубиты, но при этом способны не только работать при комнатной температуре, но и взаимодействовать с большим количеством соседних битов.

Многие по праву считают, что будущее лежит за квантовыми компьютерами, по мощности превосходящими все существующие устройства. Такие корпорации, как Google, IBM, Microsoft и Alibaba, вкладывают огромные средства в развитие этой отрасли. На днях в ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, — это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит — это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, — рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. — Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, — полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. — Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».

То, как именно будут использоваться квантовые компьютеры, покажет только время.

Читайте также:  Разблокировка айклауда на айфоне

В традиционном компьютере логика вычислений строится с помощью 1 и 0, что соответствует наличию или отсутствию тока в транзисторе. А что в вашем компьютере 1 и 0, ведь там нет электронов?

Сергей Степаненко: В фотонном компьютере все вычислительные операции должны выполняться не с электронами, а с фотонами — носителями света. Но логика строится на тех же принципах, что и в случае с электронами, только здесь 1 — это наличие света в определенной точке пространства в определенный момент времени, а 0 — его отсутствие. Такая идентичность логики крайне важна, она позволит применить к фотонным устройствам те же структурные решения, которые уже наработаны в электронной вычислительной технике. И еще. Все решаемые электронными компьютерами задачи вполне по силам фотонным. В этом, кстати, их отличие от квантовых компьютеров, для которых в современном представлении класс задач очень ограничен.

Принцип действия фотонного компьютера был продемонстрирован в США в 1990 году, но почти за 30 лет реальной машины так и не появилось. Почему? Какой принципиальный прорыв осуществили наши ученые?

Сергей Степаненко: Сразу отмечу, что таким компьютером занимались не только в США, но и в других странах. В РАН коллектив под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева в начале 90-х годов опубликовал по оптическим компьютерам много работ, актуальных и сегодня.

Почему не удавалось создать фотонную вычислительную машину, которая могла бы конкурировать с электронной? Причин несколько. Например, применялись элементы, в которых под действием света менялась прозрачность. Это требует довольно много времени и энергии. Как следствие, оптические операции получаются "дороже" электронных. Мы предлагаем использовать в фотонном компьютере оптические логические элементы, в которых взаимодействуют не только световые импульсы, но и участвуют вещества окружающей среды. Это позволит кардинально улучшить длительность выполнения операций и энергоэффективность. Кстати, принцип действия этих элементов предложен и запатентован в России еще в 1997 году.

Читайте также:  Бесплатное хранилище файлов в интернете на 1тб

Был и второй барьер, который долгие годы не удавалось преодолеть создателям фотонного компьютера. Дело в том, что вольно или невольно они пытались повторить классическую архитектуру электронных машин, в частности вариант известного ученого Джона фон Неймана. Например, хотели "воспроизвести" оперативную память компьютера в оптическом виде, но это крайне сложно и дорого. Ведь свет не имеет массы покоя. Словом, создать фотонный компьютер, конкурентоспособный электронному, не удавалось.

Но ученым вашего института это удалось. В чем секрет прорыва?

Сергей Степаненко: Удалось найти несколько принципиальных решений, выделю основные. Я уже упоминал пассивные оптические логические элементы, в которых операции будут выполняться при взаимодействии световых импульсов, а длительность операции определяется размером элемента и скоростью света. Кроме того, вместо архитектуры машины фон Неймана применен принципиально иной вариант. Он должен обеспечить выполнение операций сразу по готовности необходимой информации без задержек, вызванных обращением в память и "конфликтов" из-за одновременного использования исполнительных устройств и каналов связи.

В результате можно получить производительность вычислительной машины в тысячи раз больше, чем у электронной, при том же энергопотреблении.

Вопрос принципиальный. Ведь современные суперкомпьютеры потребляют, а главное, выделяют много энергии. Их охлаждение стало серьезным препятствием для увеличения производительности. Как вы решаете эту проблему?

Сергей Степаненко: Энергия экономится благодаря тому, что вычислительные операции будут выполняться в результате взаимодействия лишь световых импульсов. В итоге предельно сокращается "общение" света с внешней средой. Сегодня конструкторы электронных компьютеров стремятся преодолеть барьер производительности 1 эксафлопс (10 в 18 степени операций в секунду). По нашим оценкам, фотонный компьютер такой же производительности будет потреблять энергии примерно в 10 тысяч раз меньше.

Как в таком компьютере хранить информацию? Ведь традиционный магнитный носитель, который используется в электронных машинах, здесь не применишь. Свет не "законсервируешь"…

Сергей Степаненко: Оптическую память, в принципе, создать можно, но ее производительность будет меньше, чем у фотонного процессора, а значит, тормозить вычисления. Поэтому часть функций, в частности хранение информации, предполагается поручить электронным компьютерам. Они близки к технологическим пределам, но вполне могут быть использованы для хранения, подготовки и обработки информации, вырабатываемой фотонным компьютером. Это своеобразная "инфраструктура" для обеспечения собственно фотонных вычислений. Оснащать фотонный компьютер всеми видами памяти и связи, наверное, нецелесообразно. Согласитесь, абсурдно "вешать" на космический корабль инфраструктуру космодрома, она в полете не нужна, да и корабль "не потянет".

В какой стадии сейчас находится эта разработка? Когда фотонный компьютер "выйдет в свет"?

Сергей Степаненко: Разработаны основные положения и получены оценки параметров. Они опубликованы в ряде научных журналов. В настоящее время мы выполняем моделирование отдельных компонентов и по результатам должны выбрать наиболее эффективное техническое решение. Создание фотонного компьютера — масштабная задача, требующая больших ресурсов и надлежащей организации работ. Ее можно и нужно решить в течение 5-10 лет. Если фотонный компьютер не сделаем мы, то сделают другие. Как говорится, время пошло.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector