Chân trời của cái trước - và hơn thế nữa ...

Một mặt, chúng sẽ giúp chúng ta đánh bại ung thư, dự đoán chính xác thời tiết và làm chủ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Mặt khác, có những lo ngại rằng chúng sẽ gây ra sự hủy diệt toàn cầu hoặc làm nô lệ cho nhân loại. Tuy nhiên, hiện tại, những con quái vật tính toán vẫn không thể làm điều thiện và điều ác phổ biến cùng một lúc.

Trong những năm 60, những máy tính hiệu quả nhất có sức mạnh megaflops (hàng triệu phép toán dấu phẩy động mỗi giây). Máy tính đầu tiên có sức mạnh xử lý trên đây GẠO (gigaflops) là Cray 2, được sản xuất bởi Cray Research vào năm 1985. Mô hình đầu tiên có sức mạnh xử lý trên 1 TFLOPS (teraflops) là ASCI đỏ, được tạo ra bởi Intel vào năm 1997. Đã đạt đến Power 1 PFLOPS (petaflop) Roadrunner, được phát hành bởi IBM vào năm 2008.

Kỷ lục sức mạnh tính toán hiện tại thuộc về Sunway TaihuLight của Trung Quốc và là 9 PFLOPS.

Mặc dù, như bạn thấy, những cỗ máy mạnh nhất vẫn chưa đạt đến hàng trăm petaflop, ngày càng nhiều hệ thống exascaletrong đó sức mạnh phải được tính đến exaflopsach (EFLOPS), tức là khoảng 1018 hoạt động mỗi giây. Tuy nhiên, những cấu trúc như vậy vẫn chỉ ở giai đoạn của các dự án có mức độ tinh vi khác nhau.

GIẢM (, các phép toán dấu phẩy động trên giây) là một đơn vị đo sức mạnh tính toán được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng khoa học. Nó linh hoạt hơn khối MIPS được sử dụng trước đây, có nghĩa là số lượng lệnh của bộ xử lý mỗi giây. Flop không phải là SI, nhưng nó có thể được hiểu là một đơn vị của 1 / s.

Bạn cần một exascale cho bệnh ung thư

Một exaflops, hay một nghìn petaflop, nhiều hơn tất cả XNUMX siêu máy tính hàng đầu cộng lại. Các nhà khoa học hy vọng rằng một thế hệ máy móc mới với sức mạnh như vậy sẽ mang lại những đột phá trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Sức mạnh xử lý Exascale kết hợp với các công nghệ học máy tiến bộ nhanh chóng sẽ giúp giải mã ung thư. Lượng dữ liệu mà bác sĩ phải có để chẩn đoán và điều trị ung thư là rất lớn, đến nỗi máy tính thông thường khó có thể đáp ứng được nhiệm vụ. Trong một nghiên cứu sinh thiết khối u đơn lẻ điển hình, hơn 8 triệu phép đo được thực hiện, trong đó các bác sĩ phân tích hành vi của khối u, phản ứng của nó với điều trị dược lý và ảnh hưởng đến cơ thể bệnh nhân. Đây là một đại dương dữ liệu thực sự.

Rick Stevens thuộc Phòng thí nghiệm Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho biết. -

Kết hợp nghiên cứu y học với sức mạnh tính toán, các nhà khoa học đang làm việc để Hệ thống mạng nơ-ron CANDLE (). Điều này cho phép bạn dự đoán và phát triển một kế hoạch điều trị phù hợp với nhu cầu cá nhân của từng bệnh nhân. Điều này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cơ sở phân tử của các tương tác protein chính, phát triển các mô hình đáp ứng thuốc dự đoán và đề xuất các chiến lược điều trị tối ưu. Argonne tin rằng các hệ thống exascale sẽ có thể chạy ứng dụng CANDLE nhanh hơn từ 50 đến 100 lần so với các siêu máy móc mạnh nhất được biết đến hiện nay.

Do đó, chúng tôi rất mong chờ sự xuất hiện của siêu máy tính exascale. Tuy nhiên, những phiên bản đầu tiên sẽ không nhất thiết phải xuất hiện ở Mỹ. Tất nhiên, Hoa Kỳ đang trong cuộc chạy đua để tạo ra chúng và chính quyền địa phương trong một dự án được gọi là Aurora hợp tác với AMD, IBM, Intel và Nvidia, cố gắng vượt lên trên các đối thủ nước ngoài. Tuy nhiên, điều này dự kiến ​​sẽ không xảy ra trước năm 2021. Trong khi đó, vào tháng 2017 năm XNUMX, các chuyên gia Trung Quốc đã công bố tạo ra một nguyên mẫu exascale. Một mô hình hoạt động đầy đủ của loại đơn vị tính toán này là - thiên hà-3 - tuy nhiên, không chắc là nó sẽ sẵn sàng trong vài năm tới.

Trung Quốc giữ chặt

Thực tế là kể từ năm 2013, sự phát triển của Trung Quốc đã đứng đầu danh sách những máy tính mạnh nhất thế giới. Anh ấy thống trị trong nhiều năm thiên hà-2và bây giờ lòng bàn tay thuộc về Sunway TaihuLight. Người ta tin rằng hai cỗ máy mạnh nhất ở Trung Vương quốc này mạnh hơn nhiều so với tất cả XNUMX siêu máy tính trong Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Tất nhiên, các nhà khoa học Mỹ muốn giành lại vị trí hàng đầu mà họ đã nắm giữ cách đây XNUMX năm, và đang nghiên cứu một hệ thống cho phép họ làm được điều này. Nó đang được chế tạo tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Hội nghị thượng đỉnh (2), một siêu máy tính dự kiến ​​đưa vào vận hành vào cuối năm nay. Nó vượt qua sức mạnh của Sunway TaihuLight. Nó sẽ được sử dụng để thử nghiệm và phát triển các vật liệu mới mạnh hơn và nhẹ hơn, để mô phỏng bên trong Trái đất bằng cách sử dụng sóng âm và hỗ trợ các dự án vật lý thiên văn điều tra nguồn gốc của vũ trụ.

2. Sơ đồ không gian của siêu máy tính Summit

Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã đề cập, các nhà khoa học sớm có kế hoạch chế tạo một thiết bị thậm chí còn nhanh hơn. Được biết như A21Hiệu suất dự kiến ​​đạt 200 petaflop.

Nhật Bản cũng đang tham gia vào cuộc đua siêu máy tính. Mặc dù gần đây có phần lu mờ trước sự kình địch Mỹ - Trung, nhưng chính quốc gia này đã lên kế hoạch tung Hệ thống ABKI (), cung cấp 130 petaflop sức mạnh. Người Nhật hy vọng rằng một siêu máy tính như vậy có thể được sử dụng để phát triển AI (trí tuệ nhân tạo) hoặc học sâu.

Trong khi đó, Nghị viện châu Âu vừa quyết định chế tạo siêu máy tính trị giá tỷ euro của EU. Con quái vật máy tính này sẽ bắt đầu công việc cho các trung tâm nghiên cứu của lục địa chúng ta vào cuối năm 2022 và 2023. Máy sẽ được xây dựng bên trong Dự án EuroGPCvà việc xây dựng nó sẽ được tài trợ bởi các quốc gia thành viên – vì vậy Ba Lan cũng sẽ tham gia vào dự án này. Sức mạnh dự đoán của nó thường được gọi là "pre-exascale".

Cho đến nay, theo bảng xếp hạng năm 2017, trong số 202 siêu máy tính nhanh nhất thế giới, Trung Quốc có 40 máy như vậy (144%), trong khi Mỹ kiểm soát 29 (XNUMX%).

Trung Quốc cũng sử dụng 35% sức mạnh tính toán của thế giới so với 30% ở Mỹ. Các quốc gia tiếp theo có nhiều siêu máy tính nhất trong danh sách là Nhật Bản (35 hệ thống), Đức (20), Pháp (18) và Anh (15). Điều đáng chú ý là, bất kể xuất xứ của quốc gia nào, tất cả năm trăm siêu máy tính mạnh nhất đều sử dụng các phiên bản Linux khác nhau ...

Họ tự thiết kế

Siêu máy tính đã là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho các ngành khoa học và công nghệ. Chúng cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư đạt được những tiến bộ ổn định (và đôi khi là những bước tiến vượt bậc) trong các lĩnh vực như sinh học, dự báo thời tiết và khí hậu, vật lý thiên văn và vũ khí hạt nhân.

Phần còn lại phụ thuộc vào sức mạnh của họ. Trong những thập kỷ tiếp theo, việc sử dụng siêu máy tính có thể thay đổi đáng kể tình hình kinh tế, quân sự và địa chính trị của những quốc gia được tiếp cận với loại cơ sở hạ tầng tiên tiến này.

Tiến bộ trong lĩnh vực này quá nhanh chóng đến mức việc thiết kế các thế hệ vi xử lý mới đã trở nên quá khó khăn ngay cả đối với nhiều nguồn nhân lực. Vì lý do này, phần mềm máy tính tiên tiến và siêu máy tính ngày càng đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong sự phát triển của máy tính, bao gồm cả những máy tính có tiền tố là "super".

3. Siêu máy tính Nhật Bản

Các công ty dược phẩm sẽ sớm có thể hoạt động hoàn toàn nhờ vào siêu năng lực điện toán xử lý một số lượng lớn bộ gen người, động vật và thực vật sẽ giúp tạo ra các loại thuốc mới và phương pháp điều trị các bệnh khác nhau.

Một lý do khác (thực ra là một trong những lý do chính) tại sao các chính phủ đang đầu tư rất nhiều vào việc phát triển siêu máy tính. Các phương tiện hiệu quả hơn sẽ giúp các nhà lãnh đạo quân đội tương lai phát triển các chiến lược tác chiến rõ ràng trong mọi tình huống tác chiến, cho phép phát triển các hệ thống vũ khí hiệu quả hơn, đồng thời hỗ trợ các cơ quan thực thi pháp luật và tình báo xác định trước các mối đe dọa tiềm tàng.

Không đủ sức mạnh để mô phỏng não

Siêu máy tính mới sẽ giúp giải mã siêu máy tính tự nhiên mà chúng ta biết đến từ lâu - bộ não con người.

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế gần đây đã phát triển một thuật toán đại diện cho một bước tiến mới quan trọng trong việc mô hình hóa các kết nối thần kinh của não. Mới mẻ KHÔNG có thuật toán, được mô tả trong một bài báo về truy cập mở được xuất bản trên tạp chí Frontiers in Neuroinformatics, dự kiến ​​sẽ mô phỏng 100 tỷ tế bào thần kinh não người được kết nối với nhau trên siêu máy tính. Các nhà khoa học từ trung tâm nghiên cứu Đức Jülich, Đại học Khoa học Đời sống Na Uy, Đại học Aachen, Viện RIKEN Nhật Bản và Viện Công nghệ Hoàng gia KTH ở Stockholm đã tham gia vào công việc này.

Kể từ năm 2014, mô phỏng mạng nơ-ron quy mô lớn đã được chạy trên siêu máy tính RIKEN và JUQUEEN tại Trung tâm Siêu máy tính Jülich ở Đức, mô phỏng kết nối của khoảng 1% nơ-ron trong não người. Tại sao chỉ có rất nhiều? Siêu máy tính có thể mô phỏng toàn bộ bộ não?

Susanne Kunkel từ công ty Thụy Điển KTH giải thích.

Trong quá trình mô phỏng, một điện thế hoạt động của nơ-ron (các xung điện ngắn) phải được gửi đến khoảng 100 người. các máy tính nhỏ được gọi là các nút, mỗi máy được trang bị một số bộ xử lý thực hiện các phép tính thực tế. Mỗi nút kiểm tra xem xung nào trong số các xung này có liên quan đến các nơ-ron ảo tồn tại trong nút này.

4. Mô hình hóa các kết nối não của tế bào thần kinh, tức là chúng ta chỉ mới bắt đầu cuộc hành trình (1%)

Rõ ràng, dung lượng bộ nhớ máy tính mà bộ xử lý yêu cầu cho các bit bổ sung này trên mỗi nơ-ron tăng lên cùng với kích thước của mạng nơ-ron. Để vượt ra ngoài mô phỏng 1% của toàn bộ bộ não con người (4) sẽ yêu cầu Bộ nhớ gấp XNUMX lần so với những gì có sẵn trong tất cả các siêu máy tính ngày nay. Do đó, có thể nói về việc thu được một mô phỏng của toàn bộ não chỉ trong bối cảnh của các siêu máy tính exascale trong tương lai. Đây là nơi mà thuật toán NEST thế hệ tiếp theo sẽ hoạt động.

TOP-5 siêu máy tính của thế giới

1. Sanway TaihuLight – Một siêu máy tính 93 PFLOPS ra mắt vào năm 2016 tại Vô Tích, Trung Quốc. Kể từ tháng 2016 năm 500, nó đã đứng đầu danh sách TOPXNUMX siêu máy tính có sức mạnh tính toán cao nhất thế giới.

2. Thiên Hà-2 (Milky Way-2) là siêu máy tính 33,86 PFLOPS được chế tạo bởi NUDT () ở Trung Quốc. Từ tháng 2013 năm XNUMX

cho đến tháng 2016 năm XNUMX, nó là siêu máy tính nhanh nhất trên thế giới.

3. Thuốc nhuộm Pease - một thiết kế do Cray phát triển, được cài đặt tại Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia Thụy Sĩ (). Nó đã được nâng cấp gần đây - bộ tăng tốc Nvidia Tesla K20X đã được thay thế bằng bộ tăng tốc mới, Tesla P100, giúp tăng sức mạnh tính toán từ 2017 lên 9,8 PFLOPS vào mùa hè năm 19,6.

4. Gyokou là một siêu máy tính được phát triển bởi ExaScaler và PEZY Computing. Đặt tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ Hàng hải Nhật Bản (JAMSTEC) Viện Khoa học Địa chất Yokohama; trên cùng một tầng với trình giả lập Trái đất. Sức mạnh: 19,14 PFLOP.

5. Titan là một siêu máy tính 17,59 PFLOPS được sản xuất bởi Cray Inc. và ra mắt vào tháng 2012 năm 2012 tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, Hoa Kỳ. Từ tháng 2013 năm XNUMX đến tháng XNUMX năm XNUMX, Titan là siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Nó hiện đứng ở vị trí thứ năm, nhưng vẫn là siêu máy tính nhanh nhất ở Mỹ.

Họ cũng cạnh tranh để giành quyền tối cao trong lượng tử

IBM tin rằng trong XNUMX năm tới, không phải siêu máy tính dựa trên chip silicon truyền thống mà sẽ bắt đầu phát sóng. Theo các nhà nghiên cứu của công ty, ngành công nghiệp mới chỉ bắt đầu hiểu cách máy tính lượng tử có thể được sử dụng. Các kỹ sư dự kiến ​​sẽ khám phá ra những ứng dụng chính đầu tiên cho những cỗ máy này chỉ trong vòng XNUMX năm nữa.

Máy tính lượng tử sử dụng một đơn vị tính toán được gọi là kubitem. Các chất bán dẫn thông thường biểu diễn thông tin dưới dạng chuỗi 1 và 0, trong khi các qubit thể hiện các thuộc tính lượng tử và có thể thực hiện đồng thời các phép tính là 1 và 0. Điều này có nghĩa là hai qubit có thể biểu diễn đồng thời các chuỗi 1-0, 1-1, 0-1 . ., 0-0. Sức mạnh tính toán tăng theo cấp số nhân với mỗi qubit, vì vậy về mặt lý thuyết, một máy tính lượng tử chỉ với 50 qubit có thể có sức mạnh xử lý cao hơn những siêu máy tính mạnh nhất thế giới.

D-Wave Systems đã bán một máy tính lượng tử, trong đó có 2 máy tính. qubit. Tuy nhiên Bản sao D-Wave (5) đang được tranh luận. Mặc dù một số nhà nghiên cứu đã đưa chúng vào sử dụng tốt, nhưng chúng vẫn không vượt trội hơn máy tính cổ điển và chỉ hữu ích cho một số bài toán tối ưu hóa nhất định.

5. Máy tính lượng tử D-Wave

Một vài tháng trước, Phòng thí nghiệm AI lượng tử của Google đã giới thiệu một bộ xử lý lượng tử 72 qubit mới có tên là nón có lông (6). Nó có thể sớm đạt được "ưu thế lượng tử" bằng cách vượt qua một siêu máy tính cổ điển, ít nhất là khi giải quyết một số vấn đề. Khi một bộ xử lý lượng tử thể hiện một tỷ lệ lỗi đủ thấp trong hoạt động, nó có thể hiệu quả hơn một siêu máy tính cổ điển với nhiệm vụ CNTT được xác định rõ ràng.

6. Bộ xử lý lượng tử Bristlecone 72 qubit

Tiếp theo là bộ xử lý của Google, vì vào tháng 49, chẳng hạn, Intel đã công bố hệ thống lượng tử 50 qubit của riêng mình, và trước đó IBM đã giới thiệu phiên bản XNUMX qubit. chip intel, Lợihi, nó cũng đổi mới theo những cách khác. Đây là mạch tích hợp "neuromorphic" đầu tiên được thiết kế để bắt chước cách bộ não con người học và hiểu. Nó "đầy đủ chức năng" và sẽ được cung cấp cho các đối tác nghiên cứu vào cuối năm nay.

Tuy nhiên, đây mới chỉ là bước khởi đầu, vì để có thể đối phó với quái vật silicon, bạn cần z hàng triệu qubit. Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Kỹ thuật Hà Lan ở Delft hy vọng rằng cách để đạt được quy mô như vậy là sử dụng silicon trong máy tính lượng tử, bởi vì các thành viên của họ đã tìm ra giải pháp sử dụng silicon để tạo ra một bộ xử lý lượng tử có thể lập trình được.

Trong nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu Hà Lan đã điều khiển chuyển động quay của một electron đơn lẻ bằng cách sử dụng năng lượng vi sóng. Trong silicon, electron sẽ quay lên và xuống cùng một lúc, giữ nó tại chỗ một cách hiệu quả. Sau khi đạt được điều đó, nhóm nghiên cứu đã kết nối hai electron với nhau và lập trình chúng để chạy các thuật toán lượng tử.

Có thể tạo ra trên cơ sở silicon bộ xử lý lượng tử hai bit.

Tiến sĩ Tom Watson, một trong những tác giả của nghiên cứu, giải thích với BBC. Nếu Watson và nhóm của anh ấy cố gắng hợp nhất nhiều electron hơn nữa, nó có thể dẫn đến một cuộc nổi loạn. bộ xử lý qubitđiều này sẽ đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới máy tính lượng tử của tương lai.

– Bất cứ ai xây dựng một máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ sẽ thống trị thế giới Manas Mukherjee của Đại học Quốc gia Singapore và điều tra viên chính tại Trung tâm Quốc gia về Công nghệ Lượng tử gần đây cho biết trong một cuộc phỏng vấn. Cuộc đua giữa các công ty công nghệ lớn nhất và các phòng nghiên cứu hiện đang tập trung vào cái gọi là quyền tối cao lượng tử, điểm mà máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính vượt xa bất cứ thứ gì mà các máy tính hiện đại tiên tiến nhất có thể cung cấp.

Các ví dụ trên về thành tựu của Google, IBM và Intel chỉ ra rằng các công ty từ Hoa Kỳ (và do đó là tiểu bang) thống trị trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, gần đây hơn, Alibaba Cloud của Trung Quốc đã phát hành nền tảng điện toán đám mây dựa trên bộ xử lý 11 qubit cho phép các nhà khoa học thử nghiệm các thuật toán lượng tử mới. Điều này có nghĩa là Trung Quốc trong lĩnh vực khối điện toán lượng tử cũng không phủ tro bụi lên quả lê.

Tuy nhiên, những nỗ lực tạo ra siêu máy tính lượng tử không những không được nhiệt tình với những khả năng mới mà còn gây ra nhiều tranh cãi.

Vài tháng trước, trong Hội nghị Quốc tế về Công nghệ Lượng tử ở Moscow, Alexander Lvovsky (7) từ Trung tâm Lượng tử Nga, đồng thời là giáo sư vật lý tại Đại học Calgary ở Canada, đã nói rằng máy tính lượng tử công cụ hủy diệtmà không cần tạo.

7. Giáo sư Alexander Lvovsky

Ý anh ta là gì? Trước hết, bảo mật kỹ thuật số. Hiện tại, tất cả thông tin kỹ thuật số nhạy cảm truyền qua Internet đều được mã hóa để bảo vệ quyền riêng tư của các bên quan tâm. Chúng tôi đã thấy các trường hợp tin tặc có thể đánh chặn dữ liệu này bằng cách phá vỡ mã hóa.

Theo Lvov, sự xuất hiện của một máy tính lượng tử sẽ chỉ tạo điều kiện cho tội phạm mạng dễ dàng hơn. Không có công cụ mã hóa nào được biết đến ngày nay có thể tự bảo vệ khỏi sức mạnh xử lý của một máy tính lượng tử thực sự.

Hồ sơ y tế, thông tin tài chính và thậm chí cả bí mật của các chính phủ và tổ chức quân sự sẽ có sẵn trong một chiếc chảo, điều đó có nghĩa là, như Lvovsky lưu ý, rằng công nghệ mới có thể đe dọa toàn bộ trật tự thế giới. Các chuyên gia khác tin rằng những lo ngại của người Nga là không có cơ sở, vì việc tạo ra một siêu máy tính lượng tử thực sự cũng sẽ cho phép bắt đầu mật mã lượng tử, được coi là không thể phá hủy.

Cách tiếp cận khác

Ngoài các công nghệ máy tính truyền thống và sự phát triển của các hệ thống lượng tử, nhiều trung tâm khác nhau đang nghiên cứu các phương pháp xây dựng siêu máy tính khác của tương lai.

Cơ quan Hoa Kỳ DARPA tài trợ cho sáu trung tâm cho các giải pháp thiết kế máy tính thay thế. Kiến trúc được sử dụng trong máy móc hiện đại được gọi chung là kiến trúc von NeumannỒ, ông ấy đã bảy mươi tuổi rồi. Sự hỗ trợ của tổ chức quốc phòng dành cho các nhà nghiên cứu đại học nhằm phát triển một cách tiếp cận thông minh hơn để xử lý một lượng lớn dữ liệu hơn bao giờ hết.

Bộ đệm và tính toán song song Dưới đây là một số ví dụ về các phương pháp mới mà các nhóm này đang làm việc. Nữa ADA (), giúp dễ dàng phát triển các ứng dụng hơn bằng cách chuyển đổi các thành phần CPU và bộ nhớ với các mô-đun thành một cụm, thay vì xử lý các vấn đề về kết nối của chúng trên bo mạch chủ.

Năm ngoái, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Anh và Nga đã chứng minh thành công rằng loại "Bụi phép thuật"trong số đó chúng được tạo thành ánh sáng và vật chất - cuối cùng là vượt trội về "hiệu suất" đối với cả những siêu máy tính mạnh nhất.

Các nhà khoa học từ các trường đại học Cambridge, Southampton và Cardiff của Anh và Viện Skolkovo của Nga đã sử dụng các hạt lượng tử được gọi là phân cựccó thể được định nghĩa là một cái gì đó nằm giữa ánh sáng và vật chất. Đây là một cách tiếp cận hoàn toàn mới đối với điện toán máy tính. Theo các nhà khoa học, nó có thể hình thành nền tảng của một loại máy tính mới có khả năng giải quyết các câu hỏi nan giải hiện nay - trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như sinh học, tài chính và du hành vũ trụ. Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials.

Hãy nhớ rằng các siêu máy tính ngày nay chỉ có thể xử lý một phần nhỏ các vấn đề. Ngay cả một máy tính lượng tử giả định, nếu nó được chế tạo cuối cùng, thì tốt nhất cũng sẽ cung cấp tốc độ bậc hai để giải quyết các vấn đề phức tạp nhất. Trong khi đó, các hạt phân cực tạo ra "bụi tiên" được tạo ra bằng cách kích hoạt các lớp nguyên tử gali, asen, indium và nhôm bằng chùm tia laze.

Các electron trong các lớp này hấp thụ và phát ra ánh sáng có màu nhất định. Các phân cực nhẹ hơn mười nghìn lần so với các electron và có thể đạt đến mật độ đủ để tạo ra một trạng thái mới của vật chất được gọi là Bose-Einstein ngưng tụ (tám). Các pha lượng tử của các phân cực trong nó được đồng bộ hóa và tạo thành một đối tượng lượng tử vĩ mô duy nhất, có thể được phát hiện bằng các phép đo quang phát quang.

8. Biểu đồ thể hiện chất ngưng tụ Bose-Einstein

Hóa ra ở trạng thái cụ thể này, một tụ phân cực có thể giải quyết vấn đề tối ưu hóa mà chúng ta đã đề cập khi mô tả máy tính lượng tử hiệu quả hơn nhiều so với bộ xử lý dựa trên qubit. Các tác giả của các nghiên cứu Anh-Nga đã chỉ ra rằng khi các phân cực ngưng tụ, các pha lượng tử của chúng được sắp xếp theo một cấu hình tương ứng với cực tiểu tuyệt đối của một hàm phức.

“Chúng tôi đang bắt đầu khám phá tiềm năng của các biểu đồ polariton để giải quyết các vấn đề phức tạp,” đồng tác giả của Nature Materials viết, GS. Pavlos Lagoudakis, Trưởng phòng thí nghiệm Quang tử lai tại Đại học Southampton. “Chúng tôi hiện đang mở rộng thiết bị của mình lên hàng trăm nút trong khi kiểm tra sức mạnh xử lý cơ bản.”

Trong các thí nghiệm này từ thế giới của các pha lượng tử vi tế của ánh sáng và vật chất, ngay cả các bộ xử lý lượng tử cũng có vẻ là một thứ gì đó vụng về và có mối liên hệ chặt chẽ với thực tế. Như bạn có thể thấy, các nhà khoa học không chỉ làm việc trên các siêu máy tính của ngày mai và các cỗ máy của ngày kia, mà họ còn đang lên kế hoạch cho những gì sẽ xảy ra vào ngày kia.

Tại thời điểm này, đạt được exascale sẽ là một thách thức khá lớn, khi đó bạn sẽ nghĩ đến các mốc tiếp theo trên thang điểm flop (9). Như bạn có thể đoán, chỉ thêm bộ xử lý và bộ nhớ vào đó là không đủ. Nếu các nhà khoa học được tin tưởng, việc đạt được sức mạnh tính toán mạnh mẽ như vậy sẽ cho phép chúng ta giải các bài toán siêu ma mà chúng ta đã biết, chẳng hạn như giải mã ung thư hoặc phân tích dữ liệu thiên văn.

9. Tương lai của siêu máy tính

Nối câu hỏi với câu trả lời

Cái gì tiếp theo?

Trong trường hợp của máy tính lượng tử, các câu hỏi đặt ra là chúng nên được sử dụng để làm gì. Theo câu ngạn ngữ cổ, máy tính giải quyết các vấn đề sẽ không tồn tại nếu không có chúng. Vì vậy, có lẽ chúng ta nên chế tạo những siêu máy móc tương lai này trước. Khi đó các vấn đề sẽ tự phát sinh.

Máy tính lượng tử có thể hữu ích trong những lĩnh vực nào?

Trí tuệ nhân tạo. AI () hoạt động trên nguyên tắc học hỏi thông qua trải nghiệm, ngày càng chính xác hơn khi nhận được phản hồi và cho đến khi chương trình máy tính trở nên "thông minh". Phản hồi dựa trên các tính toán về xác suất của một số phương án khả thi. Ví dụ như chúng ta đã biết Lockheed Martin có kế hoạch sử dụng máy tính lượng tử D-Wave của mình để thử nghiệm phần mềm lái tự động hiện quá phức tạp đối với máy tính cổ điển và Google đang sử dụng máy tính lượng tử để phát triển phần mềm có thể phân biệt ô tô từ các điểm mốc.

Mô hình phân tử. Nhờ máy tính lượng tử, nó sẽ có thể mô hình hóa chính xác các tương tác phân tử, tìm kiếm các cấu hình tối ưu cho các phản ứng hóa học. Hóa học lượng tử phức tạp đến mức máy tính kỹ thuật số hiện đại chỉ có thể phân tích những phân tử đơn giản nhất. Các phản ứng hóa học có bản chất lượng tử vì chúng tạo ra các trạng thái lượng tử rất vướng víu xen phủ lẫn nhau, vì vậy các máy tính lượng tử được phát triển đầy đủ có thể dễ dàng đánh giá ngay cả những quá trình phức tạp nhất. Google đã có những phát triển trong lĩnh vực này - họ đã lập mô hình phân tử hydro. Kết quả sẽ là các sản phẩm hiệu quả hơn, từ tấm pin mặt trời đến thuốc chữa bệnh.

Mật mã học. Hệ thống an ninh ngày nay phụ thuộc vào thế hệ sơ cấp hiệu quả. Điều này có thể đạt được với máy tính kỹ thuật số bằng cách tìm kiếm mọi yếu tố có thể, nhưng lượng thời gian tuyệt đối cần thiết để làm như vậy khiến cho việc "phá mã" trở nên tốn kém và không thực tế. Trong khi đó, máy tính lượng tử có thể làm điều này theo cấp số nhân, hiệu quả hơn máy kỹ thuật số, đồng nghĩa với việc các phương pháp bảo mật ngày nay sẽ sớm trở nên lỗi thời. Ngoài ra còn có các phương pháp mã hóa lượng tử đầy hứa hẹn đang được phát triển để tận dụng tính chất đơn hướng của rối lượng tử. Mạng lưới toàn thành phố đã được chứng minh ở một số quốc gia và các nhà khoa học Trung Quốc gần đây đã thông báo rằng họ đang gửi thành công các photon vướng víu từ một vệ tinh "lượng tử" quay quanh quỹ đạo đến ba trạm gốc riêng biệt trở về Trái đất.

Mô hình tài chính. Thị trường hiện đại là một trong những hệ thống phức tạp nhất đang tồn tại. Mặc dù bộ máy khoa học và toán học để mô tả và kiểm soát chúng đã được phát triển, nhưng hiệu quả của các hoạt động đó vẫn chưa đủ do sự khác biệt cơ bản giữa các bộ môn khoa học: không có môi trường được kiểm soát để thực hiện các thí nghiệm. Để giải quyết vấn đề này, các nhà đầu tư và nhà phân tích đã chuyển sang sử dụng điện toán lượng tử. Một lợi thế trước mắt là tính ngẫu nhiên vốn có trong máy tính lượng tử phù hợp với bản chất ngẫu nhiên của thị trường tài chính. Các nhà đầu tư thường muốn đánh giá phân phối kết quả trong một số lượng rất lớn các kịch bản được tạo ngẫu nhiên.

Dự báo thời tiết. Nhà kinh tế trưởng Rodney F. Weiher của NOAA tuyên bố rằng gần 30% GDP của Mỹ (6 nghìn tỷ USD) phụ thuộc trực tiếp hoặc gián tiếp vào thời tiết. để sản xuất, vận chuyển và bán lẻ thực phẩm. Do đó, khả năng dự đoán tốt hơn về hào quang sẽ rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực, chưa kể thời gian được phân bổ cho việc bảo vệ thiên tai lâu hơn. Cơ quan khí tượng quốc gia của Vương quốc Anh, Văn phòng Met, đã bắt đầu đầu tư vào những đổi mới như vậy để đáp ứng nhu cầu về năng lượng và khả năng mở rộng mà cơ quan này sẽ phải giải quyết từ năm 2020 trở đi và đã xuất bản một báo cáo về nhu cầu điện toán exascale của riêng mình.

Vật lý hạt. Các mô hình vật lý hạt rắn thường là những giải pháp cực kỳ phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian tính toán cho các mô phỏng số. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho điện toán lượng tử và các nhà khoa học đã tận dụng điều này. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Innsbruck và Viện Quang lượng tử và Thông tin Lượng tử (IQOQI) gần đây đã sử dụng một hệ thống lượng tử có thể lập trình để thực hiện mô phỏng này. Theo một ấn phẩm trên tạp chí Nature, nhóm đã sử dụng một phiên bản đơn giản của máy tính lượng tử trong đó các ion thực hiện các phép toán logic, các bước cơ bản của bất kỳ phép tính nào trên máy tính. Mô phỏng cho thấy hoàn toàn phù hợp với các thí nghiệm thực tế của vật lý được mô tả. nhà vật lý lý thuyết Peter Zoller nói. -