Что такое квантовый компьютер? Разбор
Вы просили и мы разобрались: что такое квантовый компьютер, зачем он нужен и насколько за такими компьютерами будущее. Или это уже настоящее?
Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!
При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?
Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!
Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (1015 = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!
Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.
И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?
Вы давно нас просили, разобраться в этой теме — устраивайтесь поудобнее!
Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!
Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.
Чем отличается работа квантового компьютера от обычного
Работа квантового компьютера от обычного отличается в разы большей скоростью обработки данных. Понять это проще на простом примере. Допустим, нам нужно рассадить 3 человека за 2 столика в ресторане. Вариантов решения этой задачи всего 8 (2³). Эту задачу любой суперкомпьютер решит мгновенно.
Но, если задачу усложнить и предложить машине рассадить 100 человек в два банкетных зала, то вариантов ее решения становится огромное множество. Эта цифра будет выглядеть, как 2 в сотой степени. Это число, состоящее из 30 символов. Самому мощному суперкомпьютеру на обработку всех этих вариантов понадобится приблизительно 4,6х10³⁵ лет. Это неимоверно много. По сути, срок решения задачи сводится к бесконечности.
Получается, что задача вроде бы простая, рассадить 100 человек в два зала. Но вариантов ее решения существует такое множество, что решить ее с помощью привычных устройств невозможно. Квантовый супермощный компьютер способен решить эту задачу за секунды. В этом и есть его основное отличие от обычного.
Суть квантового компьютера конечно же состоит не в том, чтобы подобрать наиболее совместимую компанию для вечеринки. Задачи, которые ставятся перед этим устройством гораздо сложнее.
2001
Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.
В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного
За 30 лет с момента появления понятия «квантовые вычисления» научные разработки позволили вычислительным системам данного типа стать реальностью, хотя и недоступной для рядового пользователя. Квантовые компьютеры базируются на уникальном поведении, которое принципиально отличается от работы стандартных, привычных для нас машин и описывается квантовой механикой.
Устройства способны в считанные секунды решать математические задачи, решение которых на обычном компьютере затянулось бы на миллиарды лет. По заявлению Гугл, квантовая машина Sycamore за три с лишним минут выполнила вычисления, над которыми стандартный суперкомпьютер корпел бы 10000 лет – это зовётся громким термином «квантовое превосходство».
Привычный компьютер, с которым знаком каждый современный человек, а также смартфон, планшет или ноутбук хранят информацию в битах, принимающих значение 0 или 1, причём нулями и единицами можно представить любую информацию, будь то текст или картинка. Принципиальное отличие и преимущество квантового компьютера в используемой операционной единице, именуемой кубит (или квантовый бит). Кубит может пребывать в состоянии неопределённости, другими словами, находиться в разных состояниях одновременно, по аналогии с котом Шрёдингера (явление суперпозиции).
Квантовый компьютер многократно быстрее и мощнее обычного, при этом он не подходит для большинства повседневных задач, так как его принцип работы будет сильно отличаться.
Впереди планеты всей
Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.
С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.
Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден — АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.
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.
Преимущества
Главное достоинство новой технологии – квантовое превосходство. Это способность вычислительных устройств решать задачи, недоступные мощным суперкомпьютерам. Не все ученые поддерживают идею создания такого ПК. Главный аргумент против – невозможность проверки правильности полученного решения. При вычислениях устройство может совершить ошибку, перепутав 0 и 1, а выявить проблему не удастся.
В настоящий момент главная проблема на пути создания квантового превосходства – стабильность кубитов. Эти элементы требуют осторожного обращения: случайный шум или вибрация приводят к потере данных, которые удалось вычислить компьютеру. Для стабильной работы техники температура окружающей среды должна быть не больше 20 мК.
Квантовые коммуникации
Это тоже квантовая пропаганда. Квантовые вычисления ни в Google, ни в IBM не вылупились из лабораторной стадии. Теоретически ясно, что обработку данных действительно можно вести иначе, чем это происходит в обычных компьютерах, и что квантовые вычисления для нескольких — буквально нескольких — задач несопоставимо эффективнее возможностей традиционных компьютеров.
Задачи эти, однако, настолько важны для государств, что сомневаться в концентрации ресурсов, достаточных для практической реализации квантовых вычислений, не приходится. Оценить необходимое для практических результатов время, правда, нельзя. Не исключено, что они уже и достигнуты, но используются спецслужбами тайно.
Последние достижения в области квантовых вычислений
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент в кремнии в 2015 году. В том же году НАСА представило первый операционный квантовый компьютер, созданный D-Wave, стоимостью 15 миллионов долларов.
В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда успешно создали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет определил вариант квантовой машины на основе электронных дырок, которая использует электронные дыры (вместо того, чтобы манипулировать электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые гораздо менее уязвимы для декогеренции.
Еще несколько интересных фактов и открытий
12. Квантовые вычисления впервые были упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.
13. Первый в мире протокол распространения квантовых ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассард и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с использованием клавиатуры.
14. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, включающую трифотонные связанные состояния в квантовой нелинейной среде, которая могла бы привести к революции квантовых вычислений.
15. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-битный процессор под названием Bristlecone.
16. Реалистичная модель квантовых вычислений работает на квантовых алгоритмах, которые могут быть классифицированы по типу задачи, которую они решают, или технике/идеям, которые они используют. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.
17. В настоящее время рассматривается несколько различных кандидатов на физическую реализацию квантовой машины. Среди них самыми популярными являются —
- Спиновая и пространственная квантовая точка
- Квантовый компьютер на алмазной основе
- Полость квантовая электродинамика
- Молекулярный магнит
18. До сих пор 5 компаний производили квантовые чипы — Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).
