Как работает квантовый компьютер и какие проблемы существуют?
Обычные компьютеры работают на основе кремниевых чипов, строение и принцип действия квантовых компьютеров отличаются, они работают на основе законов квантовой механики. То есть вычислительные действия выполняются не по классическим алгоритмам, а за счет процессов квантовой природы, например, квантовой запутанности или квантового параллелизма. В качестве базы используется кубит, так называют систему, в которой количество частиц соответствует импульсу, а энергетическое состояние, которое меняется, аналогично координате. Этот фазовый кубит сейчас активно изучается наукой. Известно, что он может содержать единицу и ноль одновременно, то есть фактически быть сразу в двух состояниях. Благодаря данной особенности квантовый компьютер выполняет вычислительные задачи в тысячи раз быстрее обычного.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого устройства, разберем, чем оно отличается от обычного компьютера. Ты узнаешь, зачем нужны квантовые компьютеры, существует ли они на сегодняшний день, какие проблемы у такого решения.
Из-за устойчивого выражения “квантовый компьютер” люди часто воспринимают устройство неправильно. Они представляют обычный компьютер, ноутбук, реже — как суперкомпьютер. Но при этом не являются компьютером в привычном понимании.
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 мир во плоти
Бит — это основа всех вычислений. Элементарная частица информации — одна ячейка, хранящая 0 или 1, «да» или «нет». Тот же лайк — это изменение содержимого нескольких битов на удаленном сервере в какой-нибудь Исландии, который просчитывает алгоритм, также записанный в битах и запускаемый нажатием мышки.
Основа же квантовых вычислений — это кубит, то есть бит, который может одновременно находиться и в состоянии 0, и в состоянии 1 (квантовая суперпозиция). А если точнее, бит, который внешний наблюдатель может при измерении обнаружить в состоянии 0 с вероятностью, например, 30 %, а в состоянии 1 — с вероятностью 70 %; нечто вроде микроскопического кота Шредингера, про которого точно не знают, жив он или мертв, пока не откроют коробку.
Кубитами могут быть самые разные физические объекты микроскопических размеров (при более крупных масштабах действие квантовых законов перестает быть ощутимым, и сосуществовать между «да» и «нет», быть одновременно и белым и черным становится затруднительно). Те же самые электроны, уже производящие вычисления в наших неквантовых компьютерах и смартфонах, тоже можно сделать кубитами: вместо 0, скажем, будет вращение электрона по часовой стрелке вокруг собственной оси, а вместо 1 — против часовой (это, конечно, очень упрощенная иллюстрация, но сам принцип, надеемся, понятен).
Правда, у кубитов есть один минус. Практически любое воздействие извне (повышение температуры, загрязнение, влияние электромагнитных полей) может вывести их из хрупкого состояния сосуществования двух альтернатив: открыв коробку, мы точно узнаем, жив кот или нет, а проведенное наблюдателем измерение помогает электрону определиться-таки, в какую же сторону он вращается. Именно поэтому уже построенные 512-кубитовые квантовые компьютеры канадской компании D-Wave напоминают скорее гигантские 10-футовые черные холодильники, которые охлаждают маленький чип до температуры в 150 раз меньшей, чем средняя температура космоса.
Но это еще не все сложности. Квантовые компьютеры не только требуют для своей работы мощных охлаждающих установок, но еще и дают ответы только с определенной вероятностью (Эйнштейн нас предупреждал). 2 + 2 может 100 раз оказаться равным 4, а на 101-й — уже 5.
Наконец, вычисления квантового компьютера невозможно отследить. Исследователь может только приготовить начальный набор кубитов, запустить их в написанный квантовый алгоритм, где они будут взаимодействовать друг с другом, и ждать конца вычисления. Любая попытка подсмотреть, что происходит внутри чипа, какой бы аккуратной она ни казалась, все равно будет критична для квантовых систем. Даже несколько фотонов света, просто необходимых наблюдателю, чтобы что-то увидеть, сломают все хрупкие квантовые перепутанности и суперпозиции. Магия разрушится.
Разбуженный посреди ночи человек никогда не узнает концовку сна. Сбитый на полпути квантовый компьютер уже не доведет вычисление до конца. Неудивительно, что ввиду всех этих странностей многие специалисты сильно сомневаются, что человечеству нужны квантовые компьютеры. И еще сильнее — что компания D-Wave действительно их создала. Ведь отследить, что происходит внутри квантового чипа, невозможно, а кроме него и гигантского холодильника в системах D-Wave пока есть и вполне привычные кремниевые компьютеры, с помощью которых пользователь управляет всем этим квантовым хаосом.
Не особо впечатлили скептиков и первые успехи D-Wave: их 16-кубитные компьютеры, выпущенные в 2007 году, уже умели решать судоку, рассаживать людей за обеденным столом и даже искать молекулы по базам данных — но воображение явно не поражали. Дескать, все это умеет и обычный компьютер, старательно замаскированный огромной охлаждающей системой под машину будущего.
Но как же НАСА и ЦРУ? Поддерживают разработки дорогих игрушек? Попробуем разобраться, что же все-таки умеют и чему еще должны научиться квантовые компьютеры.
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.
Квантовый компьютер внутри
Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!
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.
Для чего нужен квантовый компьютер
Быстрая обработка больших массивов данных при использовании новых технологий может помочь решить множество задач и затронет самые разные области. Например, КК всего за несколько секунд справится с разложением чисел, состоящих из большого количества знаков, на простые множители (сам по себе процесс не сложен, но требует больших временных затрат, на этом и базируется современная криптография), а также решит ряд похожих задач. Кроме того, технологии подойдут и для моделирования сложных ситуаций, в том числе расчёта физических свойств элементов на молекулярном уровне.
Основные сферы применения квантовых компьютеров:
На данном этапе квантовые компьютеры отличаются сложностью производства и нестабильностью работы, поэтому пока удаётся только разрабатывать высокопроизводительные системы, заточенные под единственный алгоритм и рассчитанные на очень узкий круг задач.
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.
Корпоративная Академия Росатома
Корпоративная Академия Росатома — крупная отраслевая образовательная организация, надежный партнер Росатома по реализации проектов в поддержку бизнеса. Сегодня в портфеле Академии 320 программ обучения, которые нацелены на решение конкретных отраслевых задач. Помимо обучения руководителей и специалистов отрасли, Академия реализует проекты, направленные на развитие корпоративной культуры, формирование лидерского потенциала сотрудников, привлечение талантливых выпускников в отрасль, а также готовит новое поколение рабочих и инженеров по стандартам WorldSkills.
- О гиде
- 01 Квантовые вычисления: обмануть декогеренцию
- 02 Закон Мура для сверхпроводников
- 03 Квантовые алгоритмы
- 04 Квантовый объем
- 05 Всемогущий кубит
- 06 Кубит: сердце квантового компьютера
- 07 Сверхпроводящие кубиты
- 08 Как работает квантовый компьютер?
- 09 Квантовый симулятор
- 10 Ловушка для газа атомов
Поделиться с друзьями
