Квантовые компьютеры – объясняем, чем отличаются от классической вычислительной техники
Квантовые компьютеры – очень сложная тема, но мы постараемся изложить её как можно проще. Даже сегодня ученые, физики и инженеры обсуждают такой, казалось бы, простой вопрос, есть ли где-нибудь в мире работающий квантовый компьютер. «Но, почему же, такие компании, как IBM, давно хвастаются квантовыми компьютерами!» – может сказать кто-то. И он будет прав. Остаётся открытым вопрос, создала ли IBM квантовый компьютер или «квантовый компьютер».
Доктор Шохини Гхос, квантовый физик и президент Канадского общества физиков, использовал простую аллегорию для сравнения классических компьютеров (таких как наши ПК, ноутбуки и смартфоны) с квантовыми компьютерами. Если наши классические компьютеры – это свечи, то квантовые компьютеры – это лампочки. Их цель одинакова – излучать свет, а у компьютеров – выполнять вычисления. Однако, в обоих случаях цель достигается по-разному.
Гхош выражает это словами:
Квантовый компьютер – это не просто усовершенствованная версия современных компьютеров, точно так же, как лампочка – это не более сильная свеча. Вы не сможете получить лампочку, делая всё более мощные свечи. Лампочка – это другая технология, основанная на более глубоком научном понимании. Точно так же квантовый компьютер – это новый тип устройства, основанный на квантовой физике, и точно так же, как лампочка изменила общество, квантовые компьютеры могут повлиять на многие аспекты нашей жизни, включая потребности в безопасности, здравоохранении и даже сети Интернет.
Сегодня мы знаем некоторые теоретические основы работы квантовых компьютеров, но на пути их развития есть огромные препятствия, которые ждут своего решения.
Исследовательские центры и компании со всего мира проводят испытания и исследования, и специалисты в области квантовой физики согласны с тем, что пройдут десятилетия с момента создания полнофункциональных квантовых машин, прежде чем мы сможем использовать их для «повседневных задач».
По этой причине, некоторые ученые, такие как физик Артур Экерт, заявляют, что машины, которые в настоящее время называются квантовыми компьютерами, вообще не заслуживают такого названия:
Я бы сейчас не называл их квантовыми компьютерами. Им не хватает способности выполнять вычисления или решать задачи, которые мы не можем решить обычным, классическим способом. (. )
Мы еще не достигли той точки нашего технологического развития, когда мы можем построить квантовую машину, способную решать проблемы, которую будет трудно решить для классических компьютеров. Конечно, Google или IBM говорят о тех или иных проблемах, которые было бы сложно решить классическим способом, но на данный момент они неубедительны.
Принцип работы квантового компьютера
Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:
- Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
- Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
- Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.
С точки зрения здравого смысла – полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.
В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии – иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.
В России создали универсальный квантовый компьютер
Учёные из Российского квантового центра и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН разработали прототип универсального квантового компьютера на ионах. Они создали систему из четырёх кубитов, при этом не наращивая число ионов.
Главное отличие квантовых компьютеров от обычных в том, что последние оперируют битами — нулем и единицей, а первые — кубитами, которые могут одновременно находиться в обоих состояниях сразу (и 0, и 1). Однако существуют и расширенные версии кубитов, например кудиты, способные одновременно находиться в трёх состояниях (кутриты) или в четырёх состояниях (кукварты). Российские физики построили систему из двух куквартов.
Во время эксперимента исследователи смогли захватить в вакуумной камере два иона и провели над ними различные операции. Оказалось, что качество операций между кубитами, связанными в кукварт, превосходит качество операций над независимыми частицами. В будущем это обеспечит более высокое качество реализации квантовых алгоритмов.
Домашний квантовый компьютер SpinQ всего за 5000 долларов (2 фото)
Персональный квантовый компьютер, предназначенный для учебных заведений, выпустит китайская компания Shenzhen SpinQ Technology. Ориентировочная цена будущего компьютера составляет всего 5 тысяч долларов и он будет ориентирован на использование в учебных целей в школах и университетах. В прошлом году компания уже выпускала настольный квантовый компьютер по цене 50 тысяч долларов и массой 55 кг.
Новый квантовый ПК будет иметь гораздо меньшую массу, и продаваться по значительно меньшей цене. В планы компании входит выпуск серийного образца уже в четвертом квартале текущего года. Низкая стоимость компьютера, по сравнению с коммерческими квантовыми компьютерами (до 10 млн долларов) позволит приобретать устройство учебным заведениям, для которых он в первую очередь и предназначен.
Производительность квантового ПК — 2 кубита (элементарный элемент для хранения информации в квантовом компьютере), что значительно меньше существующих серийных квантовых компьютеров обрабатывающих свыше 50 кубитов. Такая невысокая производительность, однако, позволяет проводить элементарные квантовые вычисления для демонстрации принципов работы квантовых компьютеров.
Базируется работа настольного квантового ПК на технологии ядерного магнитного резонанса, при котором реализуется захват молекул диметилфосфита (вещества используемого в компьютере SpinQ) мощным магнитным полем и осуществляется воздействие на них радиоволновыми импульсами, изменяющими спины отдельных атомов вещества. При этом атомы переходят в новое состояние, что аналогично переключению 1 или 0 в обыкновенных компьютерах. Изменение спина атома позволяет изменять спины соседних атомов, что создает условие для проведения математических операций.
В компьютере SpinQ используется постоянны магнит способный генерировать магнитное поле силой до Тл (тесла), что в десятки тысяч раз больше силы магнитного поля Земли. Технология была известна еще в конце прошлого века и использовалась для получения медицинских снимков. Однако тогда магнитные поля достаточной мощности могли быть созданы только с использованием сверхпроводящих магнитов, что значительно повышало стоимость устройств и увеличивало их массу и габариты. На сегодня задача решается с использованием мощных постоянных магнитов.
Малая вычислительная мощность позволяет SpinQ выполнять только несколько типичных квантовых операций, например, реализовать быстрый поиск в базе данных или версию алгоритма Гровера. Для учебных целей — демонстрации студентам основ квантовых вычислений и принципов работы квантовых компьютеров, такой мощности достаточно. Однако эти устройства никогда не сравнятся по мощности с квантовыми компьютерами, используемыми Google, IBM или Microsoft.
Какие разработки существуют?
Крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, а команды серьёзно конкурируют между собой. Квантовые процессоры есть у нескольких IT-гигантов. Не так давно к гонке подключился Гарвард.
В начале прошлого года компания Google заявила о создании 72-кубитного квантового компьютера, который на тот момент стал самой мощной вычислительной системой. Через год на ежегодной конференции CES другая компания – IBM – представила первый коммерческий квантовый компьютер Q SystemOne, который можно собрать где угодно и который не потребует специального технического обслуживания со стороны обученного персонала. Но компьютер кажется идеальным только на первый взгляд. Прежде всего нужно учитывать, что система IBM Q SystemOne не продаётся. Пока разработка доступна только для бизнес-пользователей и только через облачный сервис IBM.
В целом в разработке и создании квантового компьютера есть четыре главных игрока: Google, IBM в рамках проекта IBM Q Experience, Rigetti Computing и Alibaba (ведёт работу в рамках совместного проекта с Китайской академией наук). Взаимодействие учёных с существующими командами из IT-компаний позволяет ускорить сам процесс, но об успехах пока говорить рано.
