Новый тип суперкомпьютера может быть основан на «волшебной пыли» — Naked Science
27.09.2017
Сколтех

Новый тип суперкомпьютера может быть основан на «волшебной пыли»

Команда исследователей из России и Великобритании успешно продемонстрировала, что «волшебная пыль», комбинирующая в себе свет и материю, может быть использована для решения сложных проблем и может превзойти возможности даже самых мощных суперкомпьютеров.

©Wikipedia

Исследователи из Сколковского института науки и технологии (Сколтех), Кембриджа (University of Cambridge), Университета Саутгемптона (Southampton University) и Кардиффского университета (Cardiff University) использовали квантовые частицы, известные как поляритоны, представляющие из себя смесь света и материи, в качестве «маяка», показывающего путь к простейшему решению сложных проблем.

Эта новая идея может стать основой нового типа компьютера, способного решать неразрешимые в настоящее время проблемы в различных областях, будь то  биология, финансы или космические путешествия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Технологический прогресс  человечества – от моделирования процессов сворачивания белков и динамики финансовых рынков до разработки новых материалов и отправки полностью автоматизированных миссий в космическое пространство – зависит от нашей способности находить оптимальное решение – абсолютного минимума  математической формулировки задачи.

Поиск оптимального решения аналогичен поиску самой низкой точки в горной местности, где очень непостоянный ландшафт со множеством впадин и расщелин. Путешественник может спуститься вниз и думать, что он достиг ландшафтного минимума, в то время как за соседней горой окажется более глубокая впадина. Такой поиск кажется сложным даже в естественной горной местности, но попробуйте представить сложность такой же задачи в многомерном пространстве.

«Это именно та проблема,  которая возникает в реальной жизни, когда нужно минимизировать функцию в присутствии множества неизвестных параметров и ограничений», – рассказывает первый автор статьи Наталья Берлова (Natalia Berloff), профессор Сколтеха и Кембриджского факультета прикладной математики и теоретической физики.

Современные суперкомпьютеры могут иметь дело только с ограниченным подмножеством таких задач, когда размерность минимизируемой функции мала или когда базовая структура проблемы позволяет быстро найти оптимальное решение даже для функции большой размерности. Даже гипотетический квантовый компьютер, если он будет создан, в лучшем случае даст квадратичное ускорение для неупорядоченного поиска глобального минимума по сравнению с классическим компьютером.

Математик из Кембриджского университета и профессор Сколтеха Наталья Берлова и ее коллеги посмотрели на проблему под другим углом. Что, если вместо того чтобы исследовать горную местность в поисках самой низкой точки, заполнить пейзаж «волшебной пылью», которая будет сиять только в самом глубоком месте и позволит легко обнаружить решение?

«Несколько лет назад наше чисто теоретическое предположение о том, как это сделать, было отвергнуто тремя научными журналами», – рассказывает Берлова. «Один рецензент сказал: «Где найдется такой сумасшедший, который попытается это реализовать?». Поэтому нам пришлось сделать это самим, и теперь мы подтвердили нашу гипотезу экспериментальными данными».

По задумке ученых «волшебная пыль» состоит из поляритонов – квантовой суперпозиции фотонов и электронов,  созданых с помощью лазера на тонких слоях напыления различных атомов, таких как галлий, мышьяк, индий и алюминий. Электроны в этих слоях поглощают и излучают свет определенного цвета. Поляритоны в десять тысяч раз легче электронов и могут достигать достаточной плотности для образования нового состояния вещества, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, где квантовые фазы поляритонов синхронизируются и создают единый макроскопический квантовый объект, излучающий свет.

Следующий вопрос, который встал перед учеными, – как создать потенциальный ландшафт, соответствующий минимизируемой функции, и заставить поляритоны конденсироваться в самой низкой точке? Для этого исследователи сосредоточились на конкретном типе проблемы оптимизации, но достаточно общим для того, чтобы решить с его помощью любую другую трудную проблему.

В качестве модельной проблемы была взята минимизация XY-модели, одной из фундаментальных моделей  статистической механики. Авторы показали, что они могут создавать поляритоны в узлах произвольного графа: во время конденсации поляритонов их квантовые фазы располагаются в конфигурации, соответствующей абсолютному минимуму целевой функции.

«Мы только начинаем изучать потенциал поляритонных графов для решения сложных задач», – говорит соавтор исследования Павлос Лагудакис (Pavlos Lagoudakis),  руководитель лабораторий гибридной фотоники в Сколтехе (где были проведены эксперименты), и Саутгемптонском университете. – В настоящее время мы масштабируем наше устройство до сотен узлов, проверяя его фундаментальную вычислительную мощность. Наша конечная цель – микрочиповый квантовый вычислитель, работающий в нормальных условиях окружающей среды».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 15:26
Александр Березин

Сегодня на Землю вернулся экипаж Inspiration 4. Пресса уже единодушно пишет об этом так: большой и яркий успех амбициозной космической компании. Без единого профессионала-астронавта — и взлетели выше МКС! Все это правда. Но правда и другое: сам Илон Маск и все, кто хорошо представляют себе пилотируемые космические полеты, находились в напряжении на протяжении троих суток, пока четверо смелых из Inspiration 4 были в космосе. И можно с уверенностью сказать, что впереди у SpaceX, кажется, еще более рискованные полеты. Попробуем разобраться почему.

11 часов назад
Ольга Иванова

Одно из самых крупных исследований показало, что фазы Луны, вероятно, в самом деле влияют на наш сон, а зависит это от пола.

11 часов назад
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили крайне интригующее древнее то ли святилище, то ли гробницу в Йоркшире (Великобритания).

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

15 сентября
ПНИПУ

Ученые Пермского Политеха и Хуачжунского университета науки и технологии (КНР) создали уникальную технологию, которая позволит предприятиям производить промышленные изделия без дефектов. Лазерная сварка в вакууме позволит повысить качество ответственных конструкций в аэрокосмической и машиностроительной отраслях. Российские и зарубежные ученые реализовали разработку благодаря уникальному проекту международных исследовательских групп (МИГов), который действует в Пермском крае с 2011 года и не имеет аналогов в России.

Вчера, 15:26
Александр Березин

Сегодня на Землю вернулся экипаж Inspiration 4. Пресса уже единодушно пишет об этом так: большой и яркий успех амбициозной космической компании. Без единого профессионала-астронавта — и взлетели выше МКС! Все это правда. Но правда и другое: сам Илон Маск и все, кто хорошо представляют себе пилотируемые космические полеты, находились в напряжении на протяжении троих суток, пока четверо смелых из Inspiration 4 были в космосе. И можно с уверенностью сказать, что впереди у SpaceX, кажется, еще более рискованные полеты. Попробуем разобраться почему.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

9 сентября
Алиса Гаджиева

Необычный артефакт обнаружили в одном из пунктов сбора вторсырья в Красноярском крае.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: