Почему так сложно создать квантовый компьютер? С белорусским физиком объясняем технологию будущего
Изобретению квантовых компьютеров частенько предсказывают прорыв, аналогичный прорывам при изобретении колеса, покорении огня или создании хорошо знакомых нам компьютеров. Но пока с этой задачей в полном масштабе никто справиться не сумел. В чем же основная загвоздка и зачем нам квантовые компьютеры? Сегодня Onliner.by объясняет суть компьютеров будущего, а помогает нам в этом заместитель заведующего Центром квантовой оптики и информатики Института физики НАН Беларуси член-корреспондент Дмитрий Могилевцев.
Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.
— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.
Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?
В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.
Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.
Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.
— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.
А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.
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.
Теория
Квантовый компьютер использует привычную вычислительным машинам двоичную систему счисления, «внутри» у него только нули и единицы. Однако термин «кубит» (q-bit, «бит» квантового компьютера) обозначает принципиальное отличие от бита: про состояние кубита в каждый момент времени нельзя сказать, что у него внутри — ноль или единица. Чтобы выяснить это, надо «снять» данные — открыть коробку с котом Шредингера и понять, жив кубит («1») или мертв («0»).
Аналогию «кубит как кот Шредингера» можно (и нужно) заменить несколько более сложной (хотя тоже примитивной) аналогией «кубит как электронное облако», то есть сфера, в каждой точке которой может находиться размазанный по орбите электрон. Эту сферу мысленно разрезаем (как пилой, пополам), чтобы «выловить» электрон в одной из двух получившихся полусфер. Практический смысл для конструктора квантового компьютера: если электрон в одной полусфере, значит, кубит на момент измерения находится в состоянии «1», если в другой — «0». До измерения кубит находится в так называемой суперпозиции: оба его возможных состояния смешаны (однако сумма вероятностей состояний равна 1). Едва измерение состояние кубита произошло — все кончено, как в детской игре «Замри!». Информация о предыдущей «жизни» кубита разрушается, как коробка, в которой сидел кот.
Квантовые вычисления обеспечиваются возможностью зафиксировать взаимосвязь совокупности (регистра) кубитов, находящихся в суперпозиции. Кубиты можно ввести в так называемое запутанное (общее, единое) состояние, когда измерение одного кубита фиксирует не только его состояние, но и состояние всех N-кубитов в регистре. Если N-кубиты в регистре запутаны, тогда одной операцией квантовый компьютер может сразу, одновременно, обработать 2N бит данных.
Это дает, во-первых, грандиозный рост размерности обрабатываемых данных: при N=50 регистр запутанных кубитов эквивалентен по объему хранимых данных 10 в 18-й степени бит. Во-вторых, позволяет решать упомянутые выше задачи, недостижимые для классических компьютеров.
Суть и свойства кубитов
Кубиты – это мельчайшие квантовые объекты, подчиняющиеся совсем другим законам. Их главное отличие от бит – это способность находиться одновременно в двух состояниях. Если представить это суперсостояние образно, то его можно сравнить с одновременно открытой и наглухо закрытой дверью или светящейся и не светящейся лампой. В применении к двоичной системе – это одномоментно 1 и 0, что кажется невероятным.
Квантовая наука утверждает, что суперпозиция кубита остается таковой до тех пор, пока ее не измерили. На образном примере – это подброшенная монетка. Пока она летит в воздухе, она еще не определяет ситуацию, в ней на равных конкурируют орел и решка. Но, стоит вам поймать ее рукой, ее состояние будет определено.
Вероятность создания квантового ПК
Кубит не построить из нескольких частиц, а в нужном состоянии могут находиться только атомы. По умолчанию эти множественные частицы неурегулированные. Китайские и канадские ученые пытались использовать для разработки компьютера чипы на фотонах, но исследования не увенчались успехом.
Существующие типы квантовых ПК:
- в полупроводниковых кремниевых кристаллах;
- на электронах в полупроводниковых квантовых точках;
- в микрорезонаторах на одиночных атомах;
- на линейных оптических элементах;
- на ионах в одномерном кристалле в ловушке Пауля.
Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами, что вызывает изменения всей системы. Задача – выбрать из всех ее состояний правильное, дающее результат вычислений. Может быть сколь угодно много состояний, максимально приближенных к истинному.
Для полноценного квантового ПК нужны значительные достижения в физике. Программирование должно отличаться от существующего сейчас. Квантовые вычислительные устройства не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но ускорят решения тех, с которыми справляются.
Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone корпорацией Google. Весной 2018 года компания опубликовала заявление про получение 72-кубитного процессора, но его принципы работы не проафишировала. Считается, что для достижения «квантового превосходства», когда ПК начинает превосходить обычный, потребуется 49 кубитов. Google добилась выполнения условия, но вероятность погрешности вычислений (0,6 %) осталась выше требуемого.
Принцип работы квантового компьютера
Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:
Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:
1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
1998
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
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!
Таймлайн
Да, именно так))). Сейчас неопределённость — это что-то непонятное, не нужное, спорное. а иногда и вредное. но я считаю это идеально для развития, когда всё возможно, когда ограничений нет. Рост возможности вычислений позволит снимать ограничения всё быстрее. Верю, что выбор настолько расширится, что можно быть кем хочешь, когда, где, в разном обличии. Для развития человечества — это такой сложный выбор, как и сейчас . Все уже чувствуют, что изменения настолько ускоряются. Человечество преоразится тысячами вариантами. в большинстве оно себя уничтожит, уверен что это даже спрогнозируют намеренно и дадут посмотреть миллиардам людей, как бы это было. но, как и сейчас будут те кто разработает лучшее применение, инное восприятие, глубокое, умное, близкое к Богу. Посмотрим, . может это и не я говорю. ))) Хотя так и есть. я не говорю вовсе, а пишу у себя, а видите Вы причём там, где я могу и не могу знать одновременно))).
Увы но математическая неопределенность и приведет к не точным рассчетам и искаженной реальности. Поэтому в математике нужна революция ,а именно в том ,что необходимо использовать функцию постоянного значения числа
На какой уровень научной подготовки рассчитана эта статья? Сколько людей могут понять то, о чем здесь пишется? Что такое «кубит»? Посмотрел. Квантовый разряд. И что это такое — квантовый разряд? Что такое «квантовое превосходство»? Как понять » слова «два кубита с суперпозицией поляризации»? Искал в интернете популярно о квантовой механике. Нашел про кота Шредингера. Как это так — кто жив и мертв одновременно? Это типа я сыт и голоден одновременно? Или трахал женщину или не трахал? Я пишу этот коммент и не пишу! Однако! Это какие мозги надо иметь, чтобы понять, что я — это вовсе не я!
Вы бсолютно правы ！Хотят создатели КК или нет , но они остаются,в плену двоичной логики формирования и передачи кода. Поэтому необходим переход к многополярной логике и комплексу других решений.
Хотя создание квантового компьютера считается одной из прерывных технологий будущего, имеются обоснованные сомнения в реальности этой популярной идеи. Причины сомнений в реальности квантового компьютера изложены в статье В.В. Аристова и А.В. Никулова «О причинах сомнений в реальности квантового компьютера», опубликованной недавно в журнале «Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника» вып. 2(170) стр. 56-71 (2018). Согласно аннотации, в статье «Рассматриваются причины сомнений в реальности квантового компьютера, такие как противоречие идеи квантовых вычислений с реализмом, сомнения в возможности мистического действия на расстоянии и существовании множества параллельных вселенных. Идея квантовых вычислений появилась вследствие непонимания смысла спора между критиками (Эйнштейн и др.) и защитниками (Бор и др.) квантовой механики. Появление квантовой информатики свидетельствует скорее о кризисе физике, чем о технологическом прорыве». О противоречии квантовой механики с реализмом есть множество публикаций за рубежом, но не у нас. Большинство физиков Советской школы не хотят слышать о противоречии квантовой механики с реализмом, что связано с идеологической цензурой в Советское время. Статья, опубликованная в «Микроэлектронике», является единственной публикацией на русском языке в которой объясняется смысл противоречия квантовой механики с реализмом.
