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.
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.
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
Биты и кубиты
Классические компьютеры оперируют битами — объектами, имеющими всего два возможных состояния, например 1 или 0. В качестве такого максимально простого классического объекта можно рассматривать, например, монету, у которой виден либо аверс, либо реверс, то есть орел или решка.
Все обычные компьютеры работают именно с классическими битами, то есть с наборами двоичных значений, нулей или единиц. Эквивалентом бита в квантовом мире будет кубит — квантовый бит. Фундаментальное отличие кубита заключается в том, что он, в отличие от бита, может находиться в состоянии квантовой суперпозиции.
Применение квантовых компьютеров
В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый (из многих) квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное (в несколько сотен цифр) число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды.
Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования (в том числе в военной сфере) сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра. Не отстают от КНР также ЕС и США, собственные средства в квантовые разработки вкладывают и частные компании — такие как Google и IBM. Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия.
Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?
— Они уже есть, и вполне настоящие. Их покупают и продают. Канадская компания «Ди-вэйв» (D-Wave) с 2011 года продает процессоры на нескольких сотнях и более кубитов. Одним из покупателей является аэрокосмическая корпорация «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), приобретшая один из первых 128-кубитных процессоров за $11 млн. В начале прошлого года «Ди-вэйв» выпустила устройство с 2000 кубитов.
Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.
В начале прошлого года D-Wave выпустила устройство с 2000 кубитов, которое работает при температуре −273 градуса по Цельсию
В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.
А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.
Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.
Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.
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.
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.
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.
