Что происходит: квантовые компьютеры

Введение в компьютерные науки

Компьютерные науки — это ядро теоретических и практических знаний, которые используют в своей работе специалисты в области вычислительной техники, программирования, информационных систем и технологий. Как научная дисциплина компьютерные науки возникли в начале 40-х годов XX века в результате слияния теории алгоритмов и математической логики, а также изобретения электронных
вычислительных машин. На протяжении полувековой истории компьютерных наук неоднократно возникали и исчезали те или иные направления. Но одним из наиболее важных разделов компьютерных наук остается теория, анализ, разработка, оценка эффективности, реализация и практическое применение алгоритмов.

Чтобы применять основные результаты исследований в области компьютерных наук, необходимо обладать навыками в четырех основных направлениях:

1. алгоритмическое мышление,
2. представление информации,
3. программирование и
4. проектирование систем.

Предметная область компьютерных наук в целом может быть разделена на две обширные подобласти:

1. Изучение конкретных процессов обработки информации и связанные с ними вопросы представления данных.
2. Структуры, механизмы и схемы обработки информации.

Важнейшая цель обучения компьютерным наукам состоит в том, чтобы четко понимать отношения, существующие между прикладными приложениями и компьютерными системами. Компьютерные приложения делятся на две категории:

• числовые и
• нечисловые.

В числовых приложениях доминирующими являются математические модели и числовые данные. В нечисловых приложениях информация представляется в виде символов и правил. Традиционно компьютерные науки имеют более тесные связи с математикой. Со своей стороны, компьютерные науки оказывают сильное влияние на математику.

Поговорим о кубитах

Одной из основных областей, представляющих интерес в рамках квантовой технологии, являются квантовые вычисления. В отличие от классического компьютера, который выполняет вычисления по одному за раз, квантовый компьютер может выполнять множество вычислений одновременно.

Основной единицей информации в квантовых вычислениях является «бит», который представляет одно из двух двоичных значений – либо ноль, либо единицу.

По сути, кубит – это гибрид слов «квантовый» и «бит». В современных компьютерах и смартфонах биты составляют наименьшую единицу хранения информации. Каждый из них при этом либо содержит значение 0, либо значение один. Но в кубите битом является квантовая частица. И это меняет все.

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе.

Кубит обладает гибкостью для представления либо нуля, либо одного, либо обоих одновременно. Эта способность объекта существовать более чем в одной форме одновременно называется суперпозицией. Однако когда несколько кубитов в компьютере взаимодействуют друг с другом, ситуация усложняется, так как возникает концепция запутанности: множество частиц в квантовой системе связаны и влияют друг на друга.

Разработка квантовых компьютеров позволит добиться научного прорыва в области биологии, химии, медицины и транспорта.

Например, если один кубит представляет ноль, другой кубит, связанный с ним, примет значение единицы, и наоборот – это делает измерение каждого кубита зависимым от другого. Поскольку базовые информационные блоки квантовых компьютеров могут представлять все возможности одновременно, теоретически они намного быстрее и мощнее обычных компьютеров, к которым мы привыкли.

Что такое двоичный код?

Всем известно, что компьютеры могут выполнять вычисления с большими группами данных на огромной скорости. Но не все знают, что эти действия зависят всего от двух условий: есть или нет ток и какое напряжение.

Место компьютера в науке

Одна из важных закономерностей науки — усиление и нарастание сложности и абстрактности научного знания, расширение и углубление процессов математизации и компьютеризации науки. В современном обществе процессы информатизации приобретают глобальный характер. Информатика, компьютерная техника, автоматизированные системы определяют магистральные направления развития и эффективность производства и технологий, проектно-конструкторских разработок и научных исследований. Компьютеры существенно преобразуют содержание и характер труда и обучения, по-новому ставят проблемы развития человеческого интеллекта и личности, оказывают серьезное влияние на мировоззрение человека.

Предпосылками для компьютеризации науки послужило:

1. возможности ЭВМ, которые гораздо шире человеческих.

2. развитие материальной базы по производству компьютеров.

3. Несколько 10-летий назад объем научной информации удваивался каждые 7-10 лет, в 90-х гг. удвоение происходит в 1-2 года. Способность общества сортировать, хранить информацию многократно возросла в результате важнейших технологических новшеств: печати, аудио- и видеозаписи, компьютеров. Развитие пяти поколений привели ЭВМ начиная с 30-х гг. привели в настоящее время применению в различных отраслях знаний компьютерных технологий.

Компьютерные технологии в научном познании могут помочь, во-первых, в проведении анализа количественными методами. Это самое простое применение. Во-вторых, они помогают при операциях моделирования и мысленного эксперимента. Точнее, здесь мы уже можем говорить не о мысленном эксперименте, а о новом его типе – «компьютерном, виртуальном эксперименте». От мысленного он отличается наглядностью, устранением субъективного фактора (потому что мы можем просто задать ряд факторов, ряд характеристик – и компьютер безошибочно сделает выводы). В-третьих, комп. помогает нам при операциях абстрагирования, он помогает нам перейти на формальный язык (потому что нам нужно создать язык для него, чем успешно занимаются программисты). Это помогает не только в создании отдельной теории, но и повышает у всего человечества способность к абстрагированию, формализации. Вообще, исследователю удобно обращению к компьютеру тогда, когда нужно достигнуть особой точности (до сотых доли секунды, например) или полной объективности.

В современный период постиндустриального (информационного) общества информационные технологии оказывают свое существенное влияние и на трансляцию научного знания. Они преобразовывают знания в информационный ресурс общества. Теперь они, а не книги, обеспечивают хранение, обработку и трансляцию информации. Если связать разные исторические эпохи в развитии культуры с технологиями хранения и передачи информации, то можно сказать, что в истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций.

Преимущества информационных технологий (ИТ): огромный объем информации и большая скорость ее трансляции и обработки. Следовательно, повышение уровня развития и образованности людей, увеличение степени интеллектуализации общества. Система дистанционного обучения.

Затрудена самоиндетификация индивида. Моделирование процессов и явлений происходит вне опоры на эмпирическую базу. Нет контролируемости и отбора информации: интернет — многообразие информации различного рода глубины и содержательности, что затрудняет отбор и трансляцию значимого знания. Вместе с тем, как я думаю, это может стать плюсом, потому что формирует новый стиль мышления: люди учатся более быстрому отбору необходимой информации, ее структурированию.

Возникает большая легкость коммуникации внутри научного сообщества, новые формы научной коммуникации (создание электронных учебников и пособий, возможность публикации в интернете результатов научных исследований, проведение интерет-конференций, создание информационных систем с банками данных по проблемам, которыми занимаются исследователи, ускорении общения ученых – через ЖЖ, форумы, электронную почту и т.д.) Большая легкость проникновения новых теорий в научное сообщество, идей малоизвестных ученых (потому что в интернете можно опубликовать результаты исследований и сформировать группу единомышленников. Таким образом, без публикации в научных изданиях, публикации монографий, можно влиять на развитие науки, транслировать свои идеи, получать на них критические отзывы и т.д.)

Компьютеризация не только проникает в уже существующие области науки, она сформировала и некоторые новые дисциплины. Кроме собственно программирования, информатики и т.д., появился ряд смежных дисциплин. Например, компьютерная лингвистика, психология компьютеризации и т.д.

Основы дисциплины

Основы и направления информатики

1. Операционные системы: развитие и структура комплексных программ, которые облегчают человеко-машинные коммуникации.
2. Вычислительная наука: анализ численных методов решения математических задач с помощью компьютера.
3. Языки программирования: изучение конструкции и свойств языков, на которых люди общаются с компьютерами.
4. Архитектура: изучение и использование математической логики для конструирования электронных схем.
5. Интеллектуальные системы: касаются средств, с помощью которых компьютеры могут выполнять задачи, который можно охарактеризовать как «умные» если выполняется человеком.
6. Теория автоматов: абстрактное изучение компьютеров и их возможностей.
7. Хранение и поиск информации: изучение методов хранения огромного количества данных на компьютере, методы поиска и сортировки данных.
8. Программная инженерия: изучение инструментов и методов для проектирования программного обеспечения, разработки, тестирования и сопровождения.

Методы изучения информатики

Способом изучения любой науки являются методы, используемые в этой науке. В каком-то смысле эти методы подобны во многих или большинстве наук, но они могут принимать разные характеристики по каждой дисциплине.

Важные методы, используемые при изучении компьютерных наук:

• изобретения: разработка новых алгоритмических и архитектурных парадигм
• программная инженерия: использует принципы проектирования для создания сложных систем для решения расчетных задач
• анализ и оценка программного обеспечения, алгоритмов и архитектуры
• эксперимент: использование экспериментов чтобы выявить принципы вычислений для научного исследования в информатике.

С чего начать

Новички в Москве и других регионах часто задумываются над тем, с чего же начать изучение компьютерных наук. И как вообще подойти к решению поставленного вопроса комплексно, чтобы ничего важного не упустить.

Для этого рекомендуется:

• определиться с направлением – начинать лучше «с малого» (основы информатики);
• подготовить соответствующую литературу;
• выяснить мотивы выбора профессии IT Science (если это только заработок – ничего не получится);
• изучить имеющиеся в доступе уроки и литературу.

Но для полноценного образования стоит присмотреться к специализированным курсам. Есть как всеобъемлющее звено «Компьютерные науки», так и различные направленности упомянутой области. Главное помнить – изучить computer и его принципы работы не так-то просто. Это долгий и весьма энергозатратный процесс. Но, если постараться, все обязательно получится.

Хотите освоить современные компьютерные науки? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!