Квантовые компьютеры — что это такое? Принцип работы и фото квантового компьютера
Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.
В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже – раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше – рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.
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.
Квантовый компьютер и его принцип работы
Классический процессор – это транзисторная схема. Транзисторы могут в разные периоды времени пропускать ток или создавать препятствие для его прохождения. Это означает, что они находятся в одном из состояний двоичной системы – 1 или 0. В терминологии компьютерщиков это называется битом информации. Двоичная система перебирает для решения задачи все варианты, составляемые из символов 1 и 0. Затем, она выбирает те из них, которые соответствуют заданным условиям.
Суть квантового компьютера заключается в использовании принципиально других единиц – квантовых бит (кубитов). Они не перебирают все возможные варианты один за одним, как это делают биты. Благодаря особым свойствам кубитов машина перебирает практически все варианты решения задачи одновременно.
Квантовые вычисления
Теория гласит, что без взаимодействия с другими частицами электрон не имеет однозначных координат на атомной орбите. Только при измерении неопределенность исчезает, а местоположение частицы становится известным.
Вероятностный характер изменений позволяет использовать квантовые вычисления для поиска в неструктурированных базах данных.
Суперпозиция и запутывание
Работа компьютера основана на двух механических явлениях:
- Запутанность. Явление, при котором состояние двух и более объектов взаимозависимо. Например, у 2 фотонов в запутанном состоянии спиральность окажется отрицательной и положительной. Взаимосвязь сохранится, если убрать объекты друг от друга в пространстве.
- Когерентная суперпозиция. Одновременное воздействие на частицу альтернативных (взаимоисключающих) состояний.
Декогеренция
Это процесс, при котором состояние квантовой системы становится неконтролируемым. Декогеренция возникает, когда много кубитов зависят друг от друга. Проблема появляется при взаимодействии компьютера с радиацией, космическими лучами или магнитным полем.
Для защиты компьютеров от «скатывания» к обычным вычислительным процессам применяют разные методы. Компания D-Wave Systems охлаждает атомы до нуля, чтобы защитить их от внешних воздействий. Квантовый процессор помещают в защитные оболочки, поэтому готовые устройства очень громоздкие.
Что это за «квант»?
Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.
Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.
В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.
Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.
Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.
Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.
Квантовый компьютер в России: перспективы
Один из самых мощных квантовых компьютеров в мире (51 кубит) создала в 2017 году научная группа Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета и сооснователя Российского квантового центра. Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению. Разработки ведутся по трем основным направлениям:
- использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем;
- применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей;
- разработка программного обеспечения для квантовых вычислений.
В то же время Российский квантовый центр, Институт физики твердого тела РАН, МИСиС, ВНИИА им. Н.Л. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана продолжают исследования для разработки российского квантового «железа». Планируемая мощность квантового компьютера российского производства пока составляет несколько кубитов. Это, безусловно, отставание в количестве, но не в качестве и значении разрабатываемых технологий.
Хитрая технология
Квантовые вычисления не универсальны, они не способны заменить традиционные компьютеры. «Информация обрабатывается хитро, мы пользуемся всем большим пространством состояний, чтобы ее переваривать, но наши возможности считать ее оттуда невелики. Потому что при измерении у вас происходит коллапс до двоичного кода, — говорит старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ, руководитель сектора квантовых вычислений Станислав Страупе. — Поэтому квантовые алгоритмы — наука о том, как извлечь из этого многомерного пространства полезную информацию за небольшое количество измерений». Математический аппарат квантовой теории готов с середины XX века, и сейчас проблема не в математике, а в аппаратной реализации. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, — ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводники. Как и в атомном проекте, никто точно не знает, какая из технологий выйдет в итоге в лидеры, поэтому развивать требуется все.
Чтобы не потеряться и всегда быть на связи, читайте нас в Яндекс.Дзене!
Что же такое квантовый компьютер?
Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.
— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.
Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.
— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.
Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.
Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.
? Сфера Блоха [PRO MODE]
⚠️ Это необязательный раздел. Он рассказывает почему у кубитов-волн на самом деле есть третья ось (фаза), но если вы не планируете писать код, а просто пришли сюда покекать — можете смело пропустить его и перейти сразу к квантовому компьютеру ниже.
Раз уж мы остались один на один с интеллектуальной элитой, давайте поговорим открыто. В этом посте я постоянно повторяю, что кубит — это волна, при этом мы все знаем, что каждой волны есть частота, амплитуда и фаза.
Амплитуда — как высоко волна прыгает, частота — как далеко, а фаза — откуда начинает. Объяснение для настоящих интеллектуалов.
На частоту мы пока прям совсем забьем. Волны в нашем квантовом мире негармонические и с частотой там всё сложно. Проще принять их как одинаковые и отдать это физикам. Остальное же имеет место быть.
Вспомним наши циферблатики выше, где вероятность бегала между |0〉 и |1〉 по окружности.
Они абсолютно верны (даже сам IBM использует такую визуализацию), но они показывают только одно число — амплитуду. А что делать с фазой? Её ведь тоже можно двигать туда-сюда и получать разный результат.
Тут нам приходится нарисовать еще одну ось, от чего красивый циферблатик превращается в сферу.
Такой 3D-циферблатик называется Сферой Блоха и она теперь учитывает и фазу. На такой сфере мы можем визуально представить себе состояние кубита, двигать стрелочку и видеть к какому из полюсов он будет чаще схлопываться.
Вот и всё. Кубит по сути два float’а.
Фаза и правда нужна чтобы глубоко понимать происходящее и изобретать новые алгоритмы, но в рамках этого поста я постоянно буду притворяться как будто её нет, потому что тут и без неё достаточно сложностей.
Hello, World’ы можно писать пока так, а когда уже станете квантовым сеньором — сами будете над всеми смеяться и говорить «хо-хо-хо, как же можно это не знать, это же база»!
? О, раз уж мы тут разговорились, на самом деле частицы не являются волнами сами по себе. Каждая их характеристика — спин, поляризация, или даже местоположение — это отдельная волна (мы говорим «волновая функция»). Настолько отдельная, что частицы могут быть «запутаны» по одной из волновых функций, но независимы по другой. Теперь вы понимаете почему мне всё приходится упрощать? Смысл не теряется, а мозгом понимать волну как частицу сразу проще.
