Техно

NASA осваивает квантовые компьютеры

Революционная технология, обещающая невозможную для классических компьютеров скорость вычислений, будет использоваться для управления космическими роботами

Фото: dwavesys.com

Уже в следующем десятилетии космические экспедиции на другие планеты будут управляться с помощью квантовых компьютеров. С таким заявлением выступил представитель NASA - Национальной аэрокосмической администрации США - Дэйвид Вентурелли (Davide Venturelli). Он является одним из ведущих исследователей лаборатории квантового искусственного интеллекта (QuAIL), созданной NASA в Силиконовой долине в Калифорнии. С детальным рассказом о надеждах американской космонавтики на квантовые компьютеры Вентурелли обещает выступить на конференции Structure Data 2015, которая пройдет в Нью-Йорке 18-19 марта. Но о сути своих прогнозов он уже поведал популярному техноблогу GigaOm.

По словам Вентурелли, NASA надеется использовать квантовые компьютеры для решения задач оптимизации, которые, как видно уже из самого их названия, заключаются в нахождении наилучшего решения из множества возможных. К таким задачам относится, например, управление воздушным движением. Ученые NASA пытаются оптимизировать маршруты самолетов, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность работы терминалов аэропортов и снизить опасность перегруженных небес.

Также квантовые вычисления нужны NASA для проектирования и планирования экспедиций автоматических космических аппаратов. Если учесть, как далеко от Земли находятся другие планеты (например, до Юпитера и его спутников электромагнитный сигнал доходит за 33-54 мин. в зависимости от взаимного расположения планет), то понятно, что управлять космическими роботами с Земли в реальном времени не представляется возможным. Поэтому миссию роботов приходится планировать загодя. Использование квантовой оптимизации позволит ученым NASA прогнозировать, что может произойти во время миссии, и с учетом этого задавать план действий роботов. "У нас есть несколько миссий, где мы предполагаем отправлять на планету сразу несколько роботов, - говорит Вентурелли. - Эти роботы будут нуждаться в координации, им придется осуществлять посадку и другие операции, не имея связи с Землей в реальном времени".

Решающей проверкой эффективности квантовых компьютеров, возможно, станет экспедиция на спутник Юпитера Европу, которая должна стартовать в 2021 г.

Кроме того, ученым предстоит увеличить срок службы батарей, используемых роботами, и тщательно спланировать затраты энергии. "Необходимо заранее выяснить, какой график является наилучшим, определить, когда необходима перезарядка, когда идти туда, где темно, и туда, где есть вода", - делится подробностями Вентурелли. Под его описание подпадает спутник Юпитера Европа: ее поверхность образована ледяной корой, через трещины в которой выплескивается, чтобы тут же замерзнуть, вода. В начале февраля NASA представила свой бюджет на 2016-й финансовый год (начинается 1 октября 2015 г.). В нем выделены средства на начало разработки проекта миссии Europa Clipper, предназначенной для изучения Европы на предмет наличия жизни в океане под ее ледяной корой. Запуск запланирован на 21 ноября 2021 г., прибытие к Европе - на 4 апреля 2028 г.

По словам Вентурелли, для проведения расчетов необходимо варьировать так много переменных, что обычные компьютеры просто окажутся слишком медленными, и нужную скорость обработки данных смогут обеспечить лишь квантовые вычисления. В распоряжении QuAIL, как рассказывает ее сайт, имеется квантовый компьютер D-Wave Two производства канадской фирмы D-Wave Systems. Он был установлен весной 2013 г. и введен в эксплуатацию осенью того же года, после чего использовался, чтобы "исследовать квантовые подходы к оптимизации проблем в таких областях, как управление воздушным движением, робототехника, навигация и связь, диагностика систем, распознавание образов, выявление аномалий, а также планирование миссий".

Фото: D-Wave Systems

"Путем такого тестирования команда QuAIL надеется продемонстрировать, что крупномасштабные квантовые компьютеры смогут решать те или иные проблемы гораздо быстрее, чем любой классический компьютер с использованием лучших известных в настоящее время алгоритмов оптимизации", - рассказывает сайт лаборатории. Можно предположить, что компьютер D-Wave Two прошел предварительные испытания более-менее успешно. Иначе вряд ли бы сейчас шла речь об использовании его для управления космическими роботами. Впрочем, Вентурелли говорит, что он по-прежнему следит за новаторскими исследованиями, которые могут привести к улучшению квантовых устройств.

Нужно сказать, что исследования и разработки в области квантовых вычислений ведут многие университеты, государственные лаборатории и частные компании в различных странах. Но готовый товар на рынке пока предлагает только D-Wave Systems. Свою первую модель - D-Wave One стоимостью $10 млн - она презентовала 11 мая 2011 г., и уже через две недели компания Lockheed Martin (крупнейший производитель вооружений для Пентагона) заключила контракт на покупку D-Wave One вместе с техобслуживанием и сопутствующими профессиональными услугами. Через полгода стало известно о создании D-Wave Two, а сейчас проходит лабораторное тестирование новая модель - D-Wave Three. 29 января 2015 г. D-Wave Systems сообщила, что общий объем привлеченного ею финансирования достиг $174 млн. Конечно, все это пока еще ничего не доказывает. Возможно, как раз экспедиция на скованную льдом Европу, вращающуюся вокруг Юпитера, станет решающей проверкой эффективности квантовой оптимизации.

Фото: D-Wave Systems

Секрет квантовых вычислений

В классических компьютерах вместимость ячеек памяти суммируется. Допустим, у нас есть ячейка вместимостью один бит информации, тогда в двух таких ячейках можно хранить два бита, в трех - три и т. д. В квантовом же компьютере вместимость умножается. Если у нас есть квантовый объект, в который можно записать один бит, то в двух таких объектах - они называются квантовыми битами, или кубитами, - можно вместить четыре бита, в трех - восемь битов, в четырех - 16 и т. д. Всего лишь 300 кубитов могут содержать больше битов, чем количество атомов во всей видимой Вселенной.

Квантовые компьютеры D-Wave One, Two, Three, по данным их производителя - канадской компании D-Wave Systems, имеют процессор соответственно из 128, 512 и 1000 кубитов. Однако эти устройства предназначены для выполнения только одной задачи - оптимизации. Безусловно, это очень существенное ограничение. Квантовые компьютеры с более широкими возможностями, возможно, уже созданы, но на рынок они не выведены.