Квантовые вычисления без квантового компьютера

Научная разработка, которую в шутку окрестили «кубит бедняка», позволит создать недорогой «вероятностный компьютер». Он заполнит пробел между подлинными квантовыми компьютерами и привычными классическими ПК.

Преодолевая ограничения квантовых компьютеров

Современные квантовые компьютеры являются лишь слабым подобием того, что смогут предоставить полностью функциональные системы такого типа в будущем. Станут доступны вычисления, которые сегодня требуют от традиционных компьютеров огромных затрат времени, мощности или вообще недоступны.

Пока что разработчики вынуждены создавать гибридные решения. Нагрузка распределяется между квантовой и традиционной подсистемами. Но есть альтернатива. Речь о «вероятностном компьютере», аппаратную часть для которого недавно предложил коллектив исследователей из университета Тохоку (Tohoku, Япония) и университета Пердью (Purdue, США) под руководством профессора Хидео Оно (Hideo Ohno), ректора университета Тохоку.

В научной статье «Целочисленная факторизация с использованием стохастических магнитных туннельных переходов» (Integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions) для журнала The Nature, ученые предложили использовать вероятностный компьютер для квантовых вычислений, фактически не переходя в область квантовых технологий. Решение основано на использовании «вероятностного бита», или «р-бита» (p-bit, от английского probabilistic — «вероятностный»), который команда исследователей в шутку окрестила «кубитом бедняка».

Что общего у квантовых и вероятностных вычислений?

Вероятностные вычисления представляют собой еще один нетрадиционный подход к проведению расчетов. Они разделяют сходные с квантовыми вычислениями базовые понятия. Но при этом не ограничиваются схожим списком потенциально решаемых задач.

Ключевую роль при вероятностных вычислениях играет так называемый «вероятностный бит». Он представляет собой стабильный (в отличие от квантового кубита) классический объект, который изменяет состояние во времени между логическим нулем и единицей и взаимодействует с другими p-битами своей системы. Принципы взаимодействия схожи с взаимодействием нейронов в нейронных сетях.

В отличие от классических вычислительных битов, которые могут хранить 1 либо 0, квантовые кубиты способны хранить оба состояния одновременно. За счет этого и обеспечивается огромная вычислительная мощность квантовых вычислений.

Несмотря на то, что p-бит способен быть лишь в одном из двух классических состояний, у него есть чрезвычайно полезное свойство. Он способен очень быстро переключаться между двумя состояниями.

Предполагается, что недорогая аппаратная платформа р-битов позволит решать задачи, которые считаются посильными лишь для квантовых вычислений. Однако реальный квантовый компьютер при этом не понадобится. Конечно, сначала необходимо научиться контролировать и управлять процессом быстрого переключения p-бита.

Есть еще и «вишенка на торте»: p-биты превосходно справляются с работой при обычной комнатной температуре. Кубитам же необходимы чрезвычайно низкие температуры — чем ближе к абсолютному нулю, тем меньше погрешность. Таким образом, вероятностный компьютер на р-битах выигрывает не только по цене, но и по условиям адаптации к взаимодействию с традиционными компьютерами.

Р-биты из магниторезистивной памяти

В качестве основы для разработки физических «вероятностных битов» в лаборатории университета Пердью взяли так называемую «магниторезистивную оперативную память» и затем произвели необходимые для эксперимента модификации.

В процессе эксперимента для создания прототипа вероятностного компьютера исследователи использовали модули р-битов на базе чипов магниторезистивной памяти с произвольной выборкой. Наноразмерные магнитные туннельные переходы со стохастическим поведением были сформированы в лаборатории путем модификации обычных серийных чипов MRAM. Созданные таким образом 3-контактные p-биты работают при обычной комнатной температуре.

Затем восемь «p-битных» блоков были объединены электрически чипом управляющего контроллера в единую асинхронную сеть. К ней был применен модифицированный адиабатический алгоритм квантовых вычислений (так называемый «алгоритм квантового отжига»). Этот алгоритм моделирует 3- и 4-компонентное взаимодействие. Таким образом был создан прототип вероятностного компьютера, в котором каждый модуль в определенное время может принимать только одно определенное (вероятностное) значение.

Возможности прототипа с успехом опробованы на решении задачи целочисленной факторизации. Это разложение числа на произведение простых множителей. Считается, что в решении именно таких задач крайне эффективны квантовые компьютеры. Классические системы, хотя и справляются с подобными заданиями, но решают их менее эффективно и значительно медленнее.

Для разложения числа 35 на множители 5 и 7 исследователям понадобилось четыре p-бита, число 161 было разложено на множители 23 и 7 с помощью шести p-битов, а на разложение числа 945 на множители 63 и 15 понадобилось всего восемь p-битов.

Результаты факторизации целых чисел до 945 на этом простейшем асинхронном вероятностном компьютере с восемью коррелирующими p-битами показали соответствие теоретическим предсказаниям. Таким образом продемонстрирована потенциальная возможность аппаратного подхода к созданию масштабируемого вероятностного компьютера для решения сложных задач оптимизации и дискретизации.

По мнению авторов исследования, полноценная реализация вероятностных компьютеров на p-битах позволит быстро решать задачи целочисленной факторизации и другие подобные проблемы. При этом будет задействовано меньше места и энергии, чем при использовании современных компьютеров. И значительно меньше, чем при привлечении квантовых систем.

«В чипе такой бит займет площадь одного транзистора. Но сможет выполнять функции, для которых потребовались бы тысячи транзисторов. Кроме того, дополнительное ускорение вычислений также может обеспечить параллельная работа большого числа p-битов», — сказал Ахмед Зеешан Перваиз (Ahmed Zeeshan Pervaiz), один из соавторов исследования.

Будущее вероятностных вычислительных систем

По мнению разработчиков из университета Пердью, вероятностный компьютер на p-битах представляет собой своеобразный «мостик» — золотую середину между квантовыми и традиционными вычислениями. Вероятностные компьютеры вполне справятся с подменой классических систем для решения определенных задач. До тех пор, пока не произойдет революция в области квантовых вычислений.

Сегодня ученые бьются над стабильностью кубитов, их практичностью и возможностью масштабирования для запуска полноценных коммерческих квантовых компьютеров. Между тем, относительно небольшие инвестиции в развитие технологии вероятностного компьютера могли бы помочь в решении множества вычислительных проблем. По мнению авторов исследования, усовершенствование и масштабирование прототипа вероятностного компьютера для практического коммерческого использования займет не так уж много времени. «В ближайшем будущем р-биты смогут облегчить процесс машинного обучения… или пригодиться для оптимизации рыночной логистики товаров», — отметил Керем Камсари (Kerem Camsari), один из соавторов исследования.

Алгоритмы «квантового отжига», в частности, являются основой квантовых систем производства канадской D-Wave Systems. Недавно компания представила подробности об архитектуре своей новой квантовой системы с вычислительной мощностью до 5000 кубитов, которая будет выпущена в 2020 году.

Магниторезистивная память

Первые исследования по разработке магниторезистивной памяти начались лишь в 1995 году — сравнительно недавно по меркам развития других технологий хранения данных. Сегодня множество компаний выпускают чипы MRAM в промышленных количествах, в том числе в России. Например, массовый выпуск микросхем и встраиваемых ячеек MRAM-памяти в России начат еще в 2013 году на московском заводе «Крокус Наноэлектроника».

В 2017 году команда разработчиков из МФТИ и компании «Крокус Наноэлектроника» также сообщила о готовности к массовому производству чипов энергонезависимой магниторезистивной памяти с переносом спинового момента (STT-MRAM).

В мае 2019 года группа исследователей из МФТИ (Россия), Германии и Нидерландов сообщили о разработке технологии оптически ускоренной MRAM (optically-assisted MRAM) со скоростью доступа порядка 3 пикосекунд, что в тысячу раз превышает возможности современных чипов MRAM.

Таким, образом, необходимая база для создания вероятностных компьютеров уже есть. Вполне возможно, что квантовые вычисления без квантового компьютера на основе «кубитов для бедных» — вероятный сценарий развития вычислений на ближайшее будущее. До тех пор, пока не появятся «настоящие» коммерческие квантовые компьютеры.