Как квантовая память может изменить компьютеры

Как будет выглядеть квантовая память? Мы пока находимся на очень ранней стадии развития квантового программирования. Сегодня способы компьютеров запоминать информацию кажутся почти смехотворными. Наверняка нас ждут новые технологические и математические достижения, которые оптимизируют компьютеры и их методы сохранения информации. 

В 2012, сидя в горячем бассейне, физик Сет Ллойд предложил квантовое интернет-приложение создателям «Гугл» — Сергею Брину и Ларри Пейджу. Он назвал его Quoogle: поисковой системой, которая использует математику, основанную на физике субатомных частиц, и показывает результаты, не зная самих запросов. Для такого скачка понадобился бы совершенно новый тип памяти — так называемый кОЗУ, или квантовое оперативное запоминающее устройство. 

Несмотря на то, что идея заинтриговала Брина и Пейджа, они от нее отказались, как сообщил Ллойд «Гизмодо». По его словам, они напомнили ему, что их бизнес-модель основана на знании всего обо всех.

Но кОЗУ, как идея, не погибла. Современные компьютеры хорошо запоминают информацию в миллиардах бит, цифр двоичного кода, равных либо нулю, либо единице. ОЗУ, или оперативная память, краткосрочно хранит информацию на кремниевых чипах, назначая каждому кусочку информации определенный адрес, доступ к которому может быть получен случайным образом и в любом порядке, чтобы ссылаться на эту информацию позже. Это делает компьютер гораздо быстрее, позволяя вашему ноутбуку или мобильнику сразу же добираться до хранящихся в ОЗУ, часто используемых приложениями данных, вместо того, чтобы искать их в хранилище, что гораздо медленнее. Но когда-нибудь в будущем, компьютерные процессоры могут быть вытеснены или подкреплены квантовыми компьютерными процессорами, машинами, пригодными для внедрения гигантских баз данных, машинного обучения и искусственного интеллекта. Квантовые компьютеры — по-прежнему только зарождающееся технология, но если когда-нибудь они будут в состоянии выполнять эти потенциально прибыльные алгоритмы, то им понадобится совершенно новый способ доступа к ОЗУ. Им будет нужен кОЗУ.

«"кОЗУ" может стать потрясающим приложением, мгновенно делающим полезными квантовые устройства Google и IBM», сказал Ллойд «Гизмодо».

Классические компьютеры, такие как ThinkPad, Iphone и мощнейшие суперкомпьютеры, совершают все свои операции путем перевода данных в одну или множество комбинаций значений битов, нулей и единиц. Биты взаимодействуют между собой, в конечном счете производя очередную комбинацию нулей и единиц. Квантовые компьютеры также выдают конечный результат в виде нулей и единиц. Но в то время как происходит подсчет, их квантовые биты, или кубиты, сообщаются между собой новым способом, через такие же законы физики, которые управляют электронами. Вместо того, чтобы просто равняться нулю или единице, каждый кубит может быть и тем, и другим во время подсчета, при помощи математического уравнения, которое шифрует вероятность получения нуля или единицы только тогда, когда вы проверяете его значение. Несколько кубитов используют более сложные уравнения, которые относятся к кубитовым значениям как к единым математическим объектам. В результате получается одна или несколько возможных двоичных строк, конечное значение которой определяется вероятностями, заложенными в уравнениях.

Этот странный математический подход — кубиты остаются уравнениями до того, как вы их вычисляете, и затем они снова похожи на биты, но при этом их значения могут включать элемент случайности — позволяет решать проблемы, традиционно сложные для компьютеров. Одна из таких сложным проблем — разложение больших чисел на простые числа, которое позволяет взломать алгоритмы, используемые для хранения большого количества зашифрованных данных — развитие событий, которое может быть «катастрофическим» для кибербезопасности. Он также может служить в качестве нового способа обработки больших наборов данных, например таких, которые используются при машинном обучении (например в продвинутых системах распознавания лиц).

Квантовые компьютеры пока что не лучше обычных. IBM предоставляет ученым и предпринимателям доступ к работающему 20-кубитному процессору, а Rigetti к 19-кубитному, в то время как традиционные суперкомпьютеры могут симулировать мощности квантовых вплоть до 50 кубитов. Несмотря на это, физик Джон Прескил недавно заявил, что технологии входят в новую эру, в которой квантовые компьютеры скоро смогут пригодиться не только для занимательных физических экспериментов. Правительство США серьезно относится к квантовым технологиям из-за их значения для кибербезопасности, и многие физики и программисты ищут для них новые ниши.

Многие исследователи также надеются найти применение квантовым компьютерам в процессе развития искусственного интеллекта и машинного обучения, используя квантовые алгоритмы. Такие алгоритмы имеют сложную структуру и задействуют существенное количество информации, тем самым требуя квантовую альтернативу ОЗУ: кОЗУ.

Квантовое ОЗУ — это не миллиарды битов, хранящихся в нескольких кубитах. Напротив, это способ для квантовых компьютеров применять их квантовые операции к большим спискам данных, встречающихся в проблемах машинного обучения. В конечном счете, обычная оперативная память состоит из данных, необходимых для работы программ, и программы получают к ним доступ путем уточнения адреса битов — таким же образом как вы можете получить сумму ячеек набрав (А2+В2) вместо того, чтобы вводить цифры каждый раз вручную. Квантовым алгоритмам придется получать доступ к обычной оперативной памяти на квантовом уровне — в самом примитивном смысле, они создают суперпозицию, в которой ячейка является как А2 так и В2 одновременно, и только затем, после того как подсчет выполнен, показывает значение или А2 или В2. В памяти как таковой нет ничего квантового — квантовым является способ доступа к ней и ее использования.

По сути, если у вас много сохраненных данных — как, например, в базах данных для обучения чат-ботов — то может существовать квантовый алгоритм, способный на большее, чем обычный компьютер в том, что касается поиска по данным или сообщении чего-то важного. Это может быть очень прибыльно как для финансовой отрасли, так и для таких компаний, как «Гугл», и, конечно же, потребует квантовой ОЗУ.

В статье о кОЗУ, написанной Ллойдом и его командой десять лет назад, был описан один из способов получения доступа только к тем адресам в памяти, которые необходимы для суперпозиции, в котором используется нечто, названное ими "квантовой пожарной цепочкой". В сущности, поскольку каждый адрес в ОЗУ — это просто последовательность битов, его можно представить в виде разветвляющегося древа, в котором каждый кубит является указателем, сообщающим компьютеру, повернуть ему направо или налево. Это работает и в обычных компьютерах, но квантовый компьютер, имеющий только два выбора, неизбежно впутает лишние пути на каждом повороте, в конечном итоге приводя к невероятно большому и хрупкому квантовому состоянию, которое может легко развалиться в неквантовой среде. Ллойд и его коллеги предложили структуру древа, в котором каждое разветвление автоматически удерживается в режиме ожидания, позволяя компьютеру двигаться только по правой или левой ветви (стороне), чтобы получить доступ к нужной памяти, не впутывая лишнюю информацию. Разница имеет довольно технический характер, но она предназначена для существенного уменьшения мощности, необходимой для разрешения проблем такого рода в машинном обучении.

«Большинство алгоритмов, используемых в исследованиях нуждаются в какой-нибудь квантовой памяти, — прокомментировал для «Гизмодо» Мишель Моска, ученый из Университета Ватерлоо в Канаде, который тоже занимался исследованием квантовой памяти. — Все, что уменьшает стоимость прикладной квантовой ОЗУ, может также существенно уменьшить сроки до появления применимых в повседневной жизни квантовых компьютеров".

Но мы пока находимся в очень, очень ранней стадии развития квантового программирования. Сегодня способы старых компьютеров запоминать информацию кажутся почти смехотворными. ОЗУ состояла из магнитных петлей, соединенных проводами, где каждая петля соответствовала одному биту, и ориентация магнитного поля в катушке олицетворяла его значение. Первый серийно выпускаемый американский компьютер, UNIVAC-I, был известен тем, что сохранял данные путем преобразования электрических импульсов в звуковые волны, используя жидкую ртуть. У той памяти отсутствовал произвольный доступ — вы не могли получить любые нужные вам данные когда угодно, но только в том порядке, в котором они были сохранены. И это считалось передовой технологией.

«Это было произведением искусства, — объяснил куратор музея истории компьютеров Крис Гарсия. — В то время они пробовали все, что можно, и надеялись, что что-нибудь из этого да сработает». На тот момент такие решения превосходили все предыдущие. Сегодня же компьютеры хранят память на микрочипах, сделанных из специального материала под названием «полупроводники», что стало возможным не только из-за развития науки, но и благодаря процессам, сделавшим кремниевые хранилища значительно более дешевыми, чем хранилища из крохотных магнитных катушек.

Как будет выглядеть квантовая память? Скорее всего не так, как ее представляли Ллойд с коллегами. На прошлогодней конференции физики шутили, что сфера квантовых вычислений вполне может обратиться к очередному аналогу чанов с жидкой ртутью. Наверняка нас ждут новые технологические и математические достижения, которые оптимизируют компьютеры и их методы сохранения информации.

Ллойд согласился с этим. «Я бы с радостью увидел чей-нибудь разнос нашей идеи, — сказал он. — Если бы мы смогли перевести обычную информацию в квантовое состояние, это бы стало потрясающим применением квантовых компьютеров в краткосрочной перспективе». Ведь компьютеры — это большее, чем просто их способность выполнять причудливые алгоритмы. Они позволяют использовать эти алгоритмы для обработки и упорядочивания данных для создания чего-то полезного.

И быть может, когда-нибудь мы действительно будет пользоваться квантовым Гуглом.