Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.
Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.
Трюдо, нимало не смутившись, в двух словах объяснил принцип работы этих устройств, что сделало его в глазах прогрессивной общественности настоящей звездой. Почему именно этот вопрос журналист посчитал наиболее каверзным? Действительно ли можно разобраться в том, что такое квантовые вычисления и квантовая механика, не будучи специалистом? Не будем утверждать, что это легкая задача, но давайте попробуем. Итак, квантовый компьютер для чайников.
Все и сразу – принцип суперпозиции
Эрвин Шредингер в 1935 году удачно проиллюстрировал один из основополагающих принципов квантовой механики – принцип суперпозиции. В его мысленном эксперименте кот, находящийся внутри коробки, с одинаковой вероятностью может быть живым или мертвым, так как никто не может знать, случился ли распад крупицы радиоактивного вещества, открывающей колбу с ядом. Выходит, что кот и жив, и мертв одновременно, что противоречит здравому смыслу.
Принцип суперпозиции используется для вычислений с помощью квантовых компьютеров. В обычном компьютере для вычислений используется двоичный код, состоящий из комбинации нулей и единиц. При этом каждый бит информации может принимать только одно значение – или один, или ноль.
В квантовом компьютере информация кодируется кубитами, которые учитывают все возможные сочетания значений закодированных чисел. Это позволяет одновременно просчитывать все возможные состояния и существенно ускоряет обработку некоторых алгоритмов. Например, квантовые компьютеры теоретически смогут легко справляться с расшифровкой информации – обычным машинам взлом современных систем шифрования практически неподвластен.
Ионная логика
Полноценный двухкубитный вентиль CNOT по схеме Сирака–Цоллера сделали на ионах кальция в 2003 году австрийские физики. К этому моменту далеко впереди были квантовые компьютеры, работающие не на электронных спинах, а на ядерных. В ЯМР-компьютерах начала XXI века было уже целых семь кубитов, и они даже могли что-то посчитать: например, разложить 15 на простые множители. Однако ЯМР-платформа тогда же и заглохла на обочине — стало ясно, что масштабировать эту схему невозможно. Реальные конкуренты к старту только готовились.
Наработки по взаимодействию ЯМР-кубитов, впрочем, пригодились в ионных компьютерах. В 2001 году американские физики показали, как можно управлять взаимодействием двух ионных кубитов, используя последовательность лазерных импульсов, популярную при работе с ядерными спинами — ее-то австрийские ученые и реализовали.
Именно эту работу в беседе с N + 1 называет настоящим стартом ионной платформы Николай Колачевский, директор Физического института имени Лебедева, где сейчас тоже занимаются кубитами на ионах. «Первая теоретическая работа о двухкубитной операции появилась в 95-ом году. А как ее реализовать, продемонстрировали вообще только в 2001-ом. То есть на самом деле, на данный момент всей этой истории — лет двадцать».
По схеме, предложенной в 2001 году и реализованной на ионах кальция в 2003-м, взаимодействуют ионные кубиты в нынешних ионных квантовых компьютерах. При помощи системы лазеров два произвольных иона в цепочке превращают в квантовый осциллятор, а по схеме Сирака–Цоллера внешнее, колебательное квантовое состояние ионов запутывается с внутренним, электронным.
Матрица операции контролируемого отрицания. Первый кубит — управляющий, второй — управляемый
Ferdinand Schmidt-Kaler et al. / Nature, 2003
Измеренные вероятности собственных состояний двух ионных кубитов с включенным и выключенным вентилем CNOT
Ferdinand Schmidt-Kaler et al. / Nature, 2003
«У такой идеологии два существенных плюса, — поясняет Колачевский. — Во-первых, можно запутать или сделать суперпозицию между двумя произвольными ионами: крайним левым и крайним правым, вторым и четвертым, двенадцатым и первым — все равно. Просто направить соответствующие лазерные пучки с помощью быстрого дефлектора. В [других платформах, например] сверхпроводниках, так делать нельзя. Второй плюс заключается в том, что эти ионы довольно легко физически перемещать в пространстве. Компания Honeywell делает это на чипе с помощью планарных технологий. Они могут менять ионы местами, не нарушая при этом когерентность. У них не очень длинные ионные цепочки, и в них они умеют ионы переставлять фактически произвольным образом. Любой с любым».
Последние новости о квантовом компьютере России мощностью 51 кубит
Вот новости этого лета. Наши дядечки (честь им и хвала!) разработали самый мощный в мире (!) квантовый (!) компьютер 51 кубит(!)т. Самое интересное то, что до этого Google анонсировало свой компьютер на 49 кубит. И по их оценкам они должны были его закончить через месяц или около того. А наши решили показать уже готовый, свой квантовый процессор на 51 кубит.. Браво! Вот какая идет гонка. Нам хотя бы не отставать. Потому что ожидается большой прорыв в науке, когда эти системы заработают. Вот фото человека, который представлял нашу разработку на «квантовом» международном форуме.
Фамилия этого ученого — Михаил Лукин. Сегодня его имя в центре внимания. Невозможно создать такой проект в одиночку, мы это понимаем. Он и его команда создали на сегодня самый мощный в мире(!) квантовый компьютер или процессор. Вот что говорят по этому поводу компетентные лица:
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Да, все это очень интересно. Если вспомнить аналогии, когда изобрели транзистор, никто не мог знать, что на этой технологии через 70 лет будут работать компьютеры. В одном только современном процессоре количество их достигает 700 миллионов..Первый компьютер весил много тонн и занимал большие площади. Но персональные компьютеры все равно появились — много позже…
Я думаю, что пока нам в ближайшее время не стоит ждать появления в наших магазинах устройств такого класса. Многие их ждут. Особенно добытчики криптовалют много спорят по этому поводу. С надеждой взирают на него ученые, и с пристальным вниманием — военные. Потенциал этой разработки как мы понимаем, до конца не ясен.
Ясно только, что когда это все заработает, оно потащит вперед за собой всю наукоемкую промышленность.Постепенно появятся новые технологии, новые отрасли, новый софт.. Время покажет.
Только бы не подвел человеков свой собственный квантовый компьютер, данный нам при рождении — это наша голова. Так что, пока не спешите выкидывать на помойку свои гаджеты. Они долго Вам еще послужат. Пишите, если статья была интересной. Заходите чаще. До свидания!
Троичный компьютер
Сетунь и её разработчики
Все современные компьютеры построены на двоичной логике — формальной системе, основанной на двух противоположных утверждениях: истина («логическая 1») и ложь («логический 0»). Однако в любую логику можно ввести и дополнительные утверждения: например, в троичной логике добавляется «неизвестно» (или «не определено»). Кажется, что введение неопределённости усложняет создание алгоритмов, поэтому от неё отказались при проектировании первых универсальных компьютеров. И всё-таки исключения встречаются: в 1959 году сотрудники вычислительного центра Московского государственного университета построили под руководством Николая Брусенцова уникальный троичный компьютер, получивший название «Сетунь» в честь протекающей рядом реки. После появления серийного образца Казанский завод математических машин выпустил пятьдесят компьютеров, тридцать из которых использовались в советских университетах. Авторы «Сетуни» на основе обычной двоичной ферритодиодной ячейки создали её троичный аналог, работа которого была построена на двухбитном троичном коде: один трит (так в данном случае называется единица измерения) записывался в два двоичных разряда. «Сетунь» имела явные преимуществе перед двоичными аналогами: большая плотность записи информации, значительное быстродействие, повышенная защищённость от накопления ошибки. «Сетунь» так и не получила развития, однако современные учёные признают, что троичная логика более эффективна, поэтому к ней, возможно, ещё вернутся при проектировании компьютеров будущего.
«Они ученые, исследующие новые миры» — коренной американский индеец рассказал о встречах со «звездными людьми»
Для коренных индейцев понятие «Звездные люди» не просто миф, а повседневная реальность. Инопланетяне начали посещать индейцев еще в глубокой древности и между ними и индейцами установилась нерушимая связь, которая продолжается и в наши дни.
Сегодня я хочу рассказать Вам историю рассказанную коренным индейцем по имени Рассел. Он заслуженный ветеран войны во Вьетнаме, выросший в религиозной школе-интернате, подвергшийся там жестокому обращению, но именно тогда на контакт с ним впервые вышли «Звездные люди»:
Это было в интернате. Мне было около семи лет. Священник отвел меня в часовню. Он сказал мне встать на колени. Он сказал, что я должен оставаться там весь день, если я не научусь говорить по-английски. Когда священник ушел, я услышал, как он запирает дверь.
Я помню, насколько солеными были мои слезы, и я волновался, что мне придется пописать прямо здесь, стоя на коленях, когда внезапно за окном часовни появился свет и появилось существо.
Сначала я подумал, что меня спасает один из старших мальчиков. Но вместо этого, как я узнал, это был не старший мальчик, а звездный путешественник. Он поднял меня, прижал к себе, и мы прошли сквозь стену, как будто ее там не было. Он помог мне сбежать.
Они были похожи на роботов. Больше похожи на жуков, чем на земных мужчин, но я был так счастлив, что не был в часовне, вдали от тех монахинь и священников, что мне было все равно. Сам дьявол мог бы отвести меня в ад, и я был бы счастлив.
Думаю, эти звездные путешественники наблюдали за школой. Может, мой старик был прав. Он много раз рассказывал мне о них, я слушал, но воспринимал наши легенды, просто, как легенды. Они действительно следят за нами. Во всяком случае, они научили меня контролю над разумом. Они помогли мне научиться жить с болью и выживать в изоляции.
После того первого инцидента я больше никогда не чувствовал боли. Я мог бы стоять на коленях в течение 58 часов на полу этой часовни, плюнуть в лицо священнику и простоять еще 48 часов. Я просто ничего не чувствовал. Когда я поехал во Вьетнам, где меня схватили и пытали, я не чувствовал боли. Я научился отделять себя от своего тела и не чувствовать боли.
Думаю, Звездные люди меня чувствовали на расстоянии. Они знали, когда стресс и боль становились для меня слишком сильными. Вот тогда они приходили. Я всегда уходил с ними охотно не потому, что они мне особенно нравились, а потому, что мог уйти из более неудобной ситуации.
Они научили меня контролировать разум, и я научился использовать это против них. Вернее не против них, а стал это использовать в своих целях. Фактически, они сочли мою способность управлять разумом весьма интересной и я заставлял их делать что-то для меня.
Мы были в лагере для военнопленных. Очень мало еды. Я заставил их принести мне фрукты. В интернате у меня часто забирали еду. В лагере для военнопленных никому из нас не хватало еды, поэтому я настаивал, чтобы они принесли мне фрукты. Апельсины. Яблоки. Бананы. Именно тогда я узнал, что могу просто потребовать что-то и оно появлялось. Когда я думал, что мне нужен фрукт, он появлялся просто из воздуха.
Только за все это и я должен был что-то делать для них. Пройти медицинский осмотр. Позволить им собрать сперму и все необходимые образцы. Они проводили эксперименты с моими глазами и носом. Воздействовали на глаза разным жидкостями, разной степени яркостью света.
У них нет глаз, как у нас, или носа. Я думаю, они находят наши глаза очень интересными. У меня взяли много крови.
Они научили меня контролировать боль. Есть панели, и они помещают вас внутрь них. Панели перемещаются; одна часть движется в одном направлении, другая — в другом. Они движутся все быстрее и быстрее, пока вы не станете одним целым с панелями, и после этого вы не почувствуете боли.
Если бы я захотел, то мог бы попросить их забрать меня из плена и перенести в свою резервацию. Возможно, я мог бы выбрать этот путь. Но тогда я не думал об этом. Когда вы находитесь в лагере для военнопленных, с выживанием развивается дух товарищества.
Я никак не мог бросить своих друзей, и Звездные Люди не могли увести их всех в безопасное место. У них есть какие-то принципы не вмешиваться в жизнь, если это изменит ход истории.
Не думаю, что моя жизнь изменила бы историю, но был один парень, с которым я там был, который стал политиком. Другой стал генеральным директором большой компании. Так что, возможно, их спасение из того лагеря сделало бы их совсем другими людьми.
Я просто почему-то понял, что это не вариант и это не то, чего я хотел. То, что они пришли ко мне, было достаточным облегчением от того, что я был в плену. Они сделали это управляемым. Мое там пребывание.
Они похищают очень много людей. Я думаю, что они ученые, исследующие новые миры. Я даже не могу ответить чего в них больше — добра или зла.
Для меня они были добрыми. Я считал их хорошими, когда они спасали меня, но я видел и злую сторону. Я видел, как они причиняли боль людям, но не учили их контролировать боль. Похоже, им было все равно. Они причиняли людям неимоверную боль, но это не вызывало в них никаких эмоций или сопереживания.
Когда я был в армии, они несколько раз забирали всех солдат находившихся тогда в наших казармах. Они даже забрали наше оружие. Просто взяли и забрали всех с военной базы вместе со всем оружием.
Они все изучали. Оружие они никогда не оставляли у себя, исследовали, а затем все возвращали обратно на свои места.
Ко мне они относились совсем по другому чем к другим людям. Может потому, что я коренной американец и дед был прав, когда говорил, что у нас с ними особые отношения.
Когда нас вернули в казарму, никто из ребят не помнил об этом событии. Никто вообще ничего не помнил. Я всегда думал, что это странно. Однажды я сказал об этом одному парню.
Спросил неужели он вообще не помнит, что его забирали и делали с ним очень болезненные вещи и он спросил меня, пытаюсь ли я притвориться сумасшедшим, чтобы уйти со службы. Он сказал мне, что это не сработает. И посмеялся над моими словами.
Я считаю, что есть несколько рас из «других мест», которые посещают нашу планету. Я встречался только со «Звездными людьми», но есть и другие.
Глава шестая
Заключение
Краткосрочные последствия квантовых компьютеров иногда преувеличиваются. Существующие квантовые компьютеры необходимо будет увеличить в 1 миллион раз, прежде чем они станут актуальными для криптографии. Краткосрочные квантовые компьютеры пока не имеют гарантированных приложений, но моделирование для научных исследований выглядит многообещающим и может иметь серьезные экономические последствия. Квантовые датчики гораздо ближе к коммерческому развертыванию и могут обеспечить значительные улучшения в получении изображений на большом расстоянии, синхронизации и обнаружении электрических, магнитных и гравитационных полей как в коммерческих, так и в военных целях. QKD, в принципе, может улучшить защиту коммуникаций от подслушивания, но многие эксперты из США и Великобритании скептически относятся к тому, что это окажется полезным на практике. В дальнейшем более сложные формы технологии квантовой связи могут быть использованы для объединения в сеть квантовых компьютеров и датчиков, но эти сети все еще находятся на очень ранней стадии развития.
Соединенные Штаты, за которыми следуют Канада, Великобритания и ЕС, являются мировыми лидерами в области квантового зондирования и вычислений. Китай решил сосредоточить свои исследовательские усилия на квантовой связи и считается мировым лидером в этой области, потому что это единственная страна, которая запустила спутник QKD и проложила крупнейшую в мире сеть волоконно-оптических кабелей для QKD. Однако ни Соединенные Штаты, ни Китай не имеют явного лидерства в квантовых технологиях в целом. Комиссия США и Китая по обзору экономики и безопасности охарактеризовал квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между двумя странами.
Самооптимизирующийся код
Пятьдесят лет назад идея воспроизвести мыслительные процессы, происходящие в головном мозге человека, подтолкнула ученых на создание нейронных сетей. Искусственные нейронные сети обрабатывают сложные введенные данные, например изображения или тексты, более эффективно, чем любые, даже самые умные алгоритмы.
Вместо того чтобы обрабатывать введенные данные строка за строкой или пиксель за пикселем, нейросети разбивают, к примеру, изображение на небольшие фрагменты, чтобы нейроны могли их анализировать параллельно. Нейроны — это по сути маленькие программы, образующие слои. Они выявляют типичные признаки фрагмента, накладывая на него фильтр, и передают их следующему слою нейронов.
Нейросети обучаются, исправляя ошибки
Сверточные нейронные сети (Convolutional Neural Networks) — это настоящий прорыв в глубинном обучении: они идентифицируют объекты на снимках так же верно, как и человек. Решающую роль в выявлении признаков играет взаимодействие двух слоев нейронов — свертки и выборки (Convolution and Pooling Layers). В процессе обучения совершается обратный проход сигнала ошибки.
Свертка. Нейроны используют различные фильтры для выявления и выделения характерных признаков фрагмента изображения.
Выборка. Все лишние данные игнорируются, результат отправляется с несколькими слоями выборки, что дает возможность увеличивать размер анализируемого фрагмента.
Классификация. Все выявленные признаки собираются: для каждого варианта вывода нейрон указывает его вероятность.
Коррекция ошибок. Обратный проход сигнала ошибки позволяет нейронам подрегулировать веса: все веса настраиваются пропорционально участию нейрона в распознавании объекта.
Сигнал передачи усиливается или ослабляется в зависимости от веса соединения от нейрона к нейрону. Чтобы определять вес соединения от нейрона, сеть проходит обучение на основе миллионов образцов изображений. Для успешного обучения после каждого прямого прохода по всем слоям сети совершается передача сигнала в обратном направлении с учетом ошибки, чтобы скорректировать вес соединений.
Следующий слой нейронов получает данные от нейронов предыдущего слоя, анализирует фрагмент большего размера и передает результаты на третий слой. И так, слой за слоем, сеть из нейронов прорабатывает фрагмент до завершения анализа целого изображения. В конце специальные нейроны относят содержание рисунка к какому-либо классу и делают выводы о том, что на нем изображено.
В заключение
Как видим, не стоит опасаться, что однажды мы проснемся, а квантовые компьютеры взломали блокчейны биткоина и других криптовалют. Квантовые вычисления действительно теоретически могут это сделать, но до этого момента еще как минимум десятилетие, да и тогда это будет возможно лишь в идеальных лабораторных условиях.
Но самое главное, что сама блокчейн-технология не стоит на месте и развивается гораздо быстрее, чем квантовые разработки. С этой точки зрения квантовая угроза лишь делает блокчейн еще надежнее. К моменту, когда квантовые компьютеры будут способны взломать современный блокчейн, тот уже давно станет квантово-устойчивым.
