Три новых правила игры
Квантовая механика — это такой же набор законов природы только для мира очень маленьких частиц — электронов, протонов, фотонов, альтронов. хотя нет, это из Мстителей.
Короче, всех тех штук, из которых мы все состоим.
В начале прошлого века мы внезапно обнаружили, что между ними происходит полная дичь, необъяснимая имевшимися у нас законами физики. Мы нафигачили загадок и парадоксов, о которых все обожают спорить.
Но мы здесь сегодня не для этого.
Пока газеты тешили публику кликбейтными парадоксами, ученые за сотню лет изобрели себе набор законов, которые позволили все эти непотребства вполне логично считать на уровне простых вероятностей.
К сожалению, эти два мира так пока и не дружат, потому как всё это правильно объяснять простым людям никто не придумал. Каждый изобретает свой подход как ввести человека в новые правила игрового мира и выдержать тонкий баланс между «ученые засмеют» и «читатели ничего не поймут».
Здесь все либо впадают в упрощения с котами, которые «как будто одновременно и там и сям», либо в научную заумь с матрицами прямо на лицо.
Сегодня я попробую свой путь, которым я объясняю это своим интересующимся друзьям. ? Как обычно, ничего «моего» во всём этом нет — это лишь компиляция того, как умные люди объясняли тему мне самому. Но я же не могу вот взять и признаться в этом на публике!
Итак, заходя в новый мир, нам надо принять ТРИ самых важных правила этой игры. Тогда остальное будет выводиться как бы автоматически.
Начнём с первого.
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.
Сверхпроводники
Сегодня вперед вырвались квантовые компьютеры на базе сверхпроводников. Физика сверхпроводников хорошо изучена, поэтому IBM, Google и D-Wave используют эту технологию. В сообщении Google о достигнутом квантовом превосходстве речь шла именно о процессоре на базе сверхпроводников.
«Кубиты просто электрические цепи, — говорит научный сотрудник группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» Российского квантового центра Илья Беседин. — Единственное отличие от нелинейного колебательного контура, который проходят в школе, то, что в качестве нелинейной индуктивности используется джозефсоновский контакт — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника». И если в классической электронике все состоит из транзисторов, то в сверхпроводниковой электронике все делают из джозефсоновских контактов, которые являются хорошими нелинейными элементами.
В качестве сверхпроводника используется алюминий, который становится сверхпроводящим при температуре 1,2 градуса Кельвина. Для того чтобы кубиты работали, требуются очень низкие температуры. У всех платформ есть некоторая технология, которая выключает взаимодействие с окружением. В сверхпроводниках — сверхнизкие температуры.
«Рабочая температура нашей установки — 0,01 градуса Кельвина, — говорит Илья. — С этой температурой особенно проблем нет: существуют промышленные криостаты, которые создают нужные условия. Их можно купить, в отличие от маленького чипа, который и обеспечивает квантовые вычисления». Такой компьютер в мобильные телефоны точно не интегрируешь, но и зачем? IBM, Google и Intel просто предоставляют облачный доступ к квантовым компьютерам. Это выгодно, даже если у вас обычный суперкомпьютер, а если квантовый — тем более. «Ничего особо не выиграешь, если у тебя квантовый телефон, — смеется Илья, — трудно представить задачи, которые он мог бы решать и которые не могут подождать соединения с облаком».
Разработка модели квантового компьютера в лаборатории компании Intel. Фото: Walden Kirsch / Intel Corporation
Переопределение безопасности
Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени.
С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием.
Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров — наиболее известными являются алгоритм Гровера для поиска в неструктурированной базе данных и алгоритм Шора для факторизации больших чисел.
Статья по теме
Кроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google.
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Раз мы уж заговорили о квантовой физике, давайте немножко поговорим о ней. Я не буду углубляться в дебри друзья. Я ведь «чайник», а не квантовый физик. Лет сто назад Энштейн опубликовал свою теорию относительности. Все умные люди того времени удивлялись, как много в ней парадоксов и невероятных вещей. Так вот, все пародоксы Энштейна, описывающие законы нашего мира — просто невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что твориться на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики», описывающие явления происходящие на уровнях электронов и молекул говорят примерно так: » Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как это все работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и записи экспериментов.»
Так в чем же разница между обычным и квантовым компьютером? Ведь обычный компьютер тоже работает на электричестве, а электричество — это куча очень маленьких частиц — электронов?
Наши с Вами компьютеры работают по принципу или «Да» или «Нет». Если есть ток в проводе, это «Да»или «Единица». Если тока в проводе «Нет», то это «Ноль». Вариант значения «1 «и «0» есть единица хранения информации под названием «Бит».. Один байт это 8 бит и так далее и так далее…
Теперь представьте ваш процессор, на котором 800 миллионов таких «проводов» на каждом из которых за секунду появляется и исчезает такой вот «ноль» или «единица». И вы мысленно можете вообразить, как он обрабатывает информацию. Вы сейчас читаете текст, но на самом деле это совокупность нулей и единиц.
Путем перебора и вычислений Ваш компьютер обрабатывает Ваши запросы в Яндексе, ищет нужные до тех пор, пока не решит задачу и путем исключения не докопается до нужной Вам . Выводит на монитор шрифты, картинки в читаемом для нас виде… Пока надеюсь ничего сложного? А картинка — это тоже нули и единицы.
Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.
Так вот, модель атома то же планетарная, там атом тоже вращается вокруг ядра. Но ДОКАЗАНО, друзья, умными парнями в очках, что атом в отличии от Земли одновременно и всегда находится во всех местах..Везде и нигде одновременно. И назвали они это замечательное явление «суперпозицией». Для того, чтобы познакомится поближе и другими явлениями квантовой физики, предлагаю глянуть научно-популярный фильм, где простым языком рассказывается о сложном и в довольно оригинальной форме.
Продолжим. И вот на смену «нашему» биту приходит квантовый бит. Его еще называют «Кубит». У него то же всего два исходных состояния «ноль» и «единица». Но, так как природа его «квантовая», то он может ОДНОВРЕМЕННО принимать все возможные промежуточные значения. И одновременно находиться в них. Теперь значения не надо последовательно вычислять, перебирать. долго искать в базе. Они известны уже заранее, сразу. Вычисления идут параллельно.
Первые «квантовые» алгоритмы для математических вычислений были придуманы еще математиком из Англии Питером Шором в 1997 году. Когда он показал их миру, все шифровальщики здорово напряглись, так как существующие шифры «раскалываются» этим алгоритмом за несколько минут.. Вот только компьютеров, работающих по квантовому алгоритму тогда еще не было.
С тех пор с одной стороны идет работа по созданию физической системы, в которой бы работал квантовый бит. То есть «железа». А с другой стороны уже придумывают защиту от квантового взлома и расшифровки данных.
А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.
Неужели они нас обогнали? 9 кубит или по «старому» 15 бит, это не так много пока еще. Плюс дороговизна, масса технических проблем и короткое время «жизни» квантов. Но вспомните что сначала были 8 битные, потом появились 16 битные процессоры… Так будет и с этими …
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.
Последствия для человечества
Значит ли это, что в скором времени мы сможем получать товары и продукты прямо на дому, из квантовых принтеров? Значит ли это, что открывается возможность создания органических и неорганических предметов «из ничего»? Значит ли это, что появится возможность перемещать живые существа — в том числе человека — мгновенно в пространстве? Во времени?
После вчерашнего неожиданного прорыва, который, по всей вероятности, ускорит создание квантовых сетей, над этими вопросами уже невозможно не задумываться. Квантовая сеть, объединившая возможности нескольких квантовых устройств, даже в нынешнем ограниченном состоянии меняет правила игры в технологии, производстве и коммуникации.
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.
