Как физика связана с компьютером

Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?

Компьютерные технологии неустанно развиваются. Обычные смартфоны теперь способны выполнять задачи, на решение которых в прошлом требовалась мощность огромных вычислительных машин. Впрочем, человечество стоит на пороге куда более масштабного технологического скачка. Он произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Всего за несколько минут он сможет решить задачу, на которую даже у самых мощных суперкомпьютеров уйдут десятилетия и даже столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, однако технологии с каждым годом совершенствуются. «Лента.ру» и Homo Science рассказывают, что такое квантовые технологии и каким образом они могут изменить мир.

Одним из первых о создании квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По мысли ученого, такие машины способны моделировать сложные квантовые системы, например, атомы, что не по силам обычному, классическому компьютеру, которому для этого требуется колоссальный объем вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — хотя на тот момент не существовало даже их прототипов — способны на то, на что не способны даже мощнейшие суперкомпьютеры.

В 1996 году американский математик Лов Гровер предложил квантовый алгоритм решения задачи перебора, который теоретически способен ускорить поиск внутри гигантских баз неупорядоченных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью.

Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников.

Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату.

Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений.

Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.

В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра.

На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей.

Физика сложных систем

К этой области науки Нобелевский комитет отнес фактически никак не связанные между собой исследования трех нынешних лауреатов (по изменению климата и поведению хаоса). Современные вызовы придают физике сложных систем чрезвычайно актуальный характер и практический смысл.

«Мы находимся на краю пропасти, — заявил недавно генсек ООН Антониу Гутерриш. — Средняя температура уже поднялась на 1,2°C выше той, что была в доиндустриальную эпоху. Это очень близко к критическому показателю в 1,5 °C. Этот год будет решающим. Если мы потерпим неудачу [в контроле климата и переходе на зеленые технологии], то окажемся в огромной опасности».

В ближайшее время можно ожидать рост объемов исследовательской работы в области физики сложных систем и физики климата. Главные открытия в этой области совершили еще десятки лет назад. Например, в 60-х Сюкуро Манабэ создал инструментарий моделирования климатической системы, десять лет спустя Клаус Хассельман связал погоду и климат. Награду с ними мог бы разделить советский физик Андрей Монин — один из основателей геофизической гидродинамики, которая создала почву для исследований по всему миру.

Сейчас в России немного ученых, которые занимаются моделированием сложных систем в части климата и при этом получают признание на международном уровне. Например, работа Евгения Володина из Института вычислительной математики им. Марчука РАН стала частью большой модели IPCC (Межправительственной группы экспертов по изменению климата) несколько лет назад. В научном сообществе встречается мнение, что сейчас российские исследования сильно отстают от западных работ, а специалистов уровня нобелевских лауреатов в стране попросту нет. Причины — недофинансирование и упадок экспертизы.

В России нет отдельного глобального института, который занимается физикой сложных систем. Но есть региональные инициативы – например, учебно-научный центр «Физика сложных систем», открытый в 2009 году в Казани. Магистерская программа реализуется по принципу обмена опытом с Институтом проблем механики и современного материаловедения ISMANS (Франция).

Климатические модели — это только одна из практических сфер, которая пожинает плоды открытий в области физики сложных систем. Так, третий нобелиат Джорджо Паризи получил награду за открытие математических закономерностей, возникающих в сложных (хаотических) материалах, что позволило ученым описать множество разных явлений — не только в физике, но и в математике, биологии, нейронауке, машинном обучении. Кроме того, его работы были очень полезны при создании квантового компьютера.

Прежде всего, с настроя. Для того, чтобы стать компьютерным энтузиастом вам потребуется получить огромное количество знаний. На это потребуется время. Но не стоит пугаться этого – новые знания будут приносить вам удовольствие. Всю информацию вы будете получать из интернет-ресурсов. Черпайте знания из как можно большего количества источников. Ведь сколько людей, столько и точек зрения. И со временем вы будете чувствовать себя как рыба в воде: научитесь разбираться в устройстве компьютеров, сможете самостоятельно подбирать комплектующие, производить сборку и настройку компьютеров, производить модульный ремонт, настраивать программы, станете уверенным пользователем интернета, будете разбираться в терминологии, сможете разгонять комплектующие (стать оверклокером), научитесь майнить криптовалюты, в конце концов. Кроме того, поднимется и ваша самооценка. А ваши родные, друзья и знакомые будут считать вас незаменимым человеком. В этом хобби нет каких-то планок, которые перед вами кто-то ставит, нет сроков и неразрешимых задач. Всё решаете вы сами! Вы – свободный художник!

Самое первое, что вам необходимо усвоить — это что такое компьютер и из каких основных частей он состоит. Определение компьютера вы найдёте сами, а по его составным частям мы кратко пройдёмся сейчас. Простым языком, компьютер состоит из системного блока и периферии.

Помогает следить за состоянием здоровья

ренген

Физика внесла огромный вклад в развитие медицины. Благодаря открытию рентгеновских лучей появилась возможность выявления различных заболеваний внутренних органов человека и обнаружения переломов костей.

Измерение давления крови, ультразвуковые исследования, электрокардиограмма, лечение электрическими токами и магнитными полями, использование лазеров и оптических приборов — вот далеко не полный список применения величайших достижений физики в медицине.

На самом деле переоценить важность физики в повседневной жизни практически невозможно. Ведь физика везде: начиная с жилища и телефона и заканчивая реактивными лайнерами и полетами в космос. Вещи, которые нас окружают, — компьютеры, автомобили, бытовая техника, Интернет — настолько прочно вошли в нашу жизнь, что мы не обращаем на них никакого внимания. А все-таки следует помнить, что все блага цивилизации стали возможными благодаря научным открытиям, в том числе и в области физики.

Основы дисциплины

Основы и направления информатики

Операционные системы: развитие и структура комплексных программ, которые облегчают человеко-машинные коммуникации.
Вычислительная наука: анализ численных методов решения математических задач с помощью компьютера.
Языки программирования: изучение конструкции и свойств языков, на которых люди общаются с компьютерами.
Архитектура: изучение и использование математической логики для конструирования электронных схем.
Интеллектуальные системы: касаются средств, с помощью которых компьютеры могут выполнять задачи, который можно охарактеризовать как «умные» если выполняется человеком.
Теория автоматов: абстрактное изучение компьютеров и их возможностей.
Хранение и поиск информации: изучение методов хранения огромного количества данных на компьютере, методы поиска и сортировки данных.
Программная инженерия: изучение инструментов и методов для проектирования программного обеспечения, разработки, тестирования и сопровождения.

Методы изучения информатики

Способом изучения любой науки являются методы, используемые в этой науке. В каком-то смысле эти методы подобны во многих или большинстве наук, но они могут принимать разные характеристики по каждой дисциплине.

Важные методы, используемые при изучении компьютерных наук:

изобретения: разработка новых алгоритмических и архитектурных парадигм
программная инженерия: использует принципы проектирования для создания сложных систем для решения расчетных задач
анализ и оценка программного обеспечения, алгоритмов и архитектуры
эксперимент: использование экспериментов чтобы выявить принципы вычислений для научного исследования в информатике.

Сайты живут вечно?

Среднее время жизни интернет-страницы — год. Это логично объясняется тем, что владельцы сайта обычно оплачивают доменное имя сайта на год. Если его не оплачивать, у сайта забирают адрес, и он перестаёт существовать. Исследователи из Гарвардской школы права изучили сайт New York Times и установили, что 72% гиперссылок из материалов 1998 года «мертвы».

Существует легенда, будто акулы представляют собой главную опасность для интернета, потому что перекусывают подводные кабели. Кабели действительно лежат под водой, и их относительно легко повредить. Однако под водой находится гораздо больше кабелей, чем нужно для стабильной работы интернета.

Даже если акула и повредит кабель, интернет продолжит работать. К тому же кабели находятся очень глубоко — акулы там не плавают. А вот телеграфные кабели они перекусывали часто.

Гораздо опаснее для интернета рыболовецкие судна. Они могут сбросить якорь и перебить несколько кабелей сразу. Так, например, недавно произошло в Великобритании.

Изображение на обложке: Zoe Morgan-Montoya / Dribbble

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

Деформация виртуальных тел

Что такое игровая физика и какие виды бывают

Как правило, чтобы создать физику мягких тел, их перемещение ограничивают. Если такое тело состоит из точек – это значит, что расстояние между ними может меняться, но окончательно отделиться друг от друга у них не выйдет. Именно за счет ограничения и получается сделать более-менее реалистичную физику, но далеко не всегда. Разработчики, часто, используют зацикленную анимацию, но срабатывает она только для тех мягких тел, которые не в центре внимания. Если бы так делали физику, например, для плаща Бэтмана в серии Arkham, то вы бы уже давно заметили, что с ним что-то не так. Когда разработчики знают, что геймеры постоянно будут смотреть на игровой элемент или будут с ним взаимодействовать, то от трюков с зацикленной анимацией отказываются.

Основная проблема реализации физики мягких тел заключается в огромном количестве вычислений. Чтобы сделать все реалистично, нужно проводить миллионы операций в секунду, но процессор просто не выдержит такую нагрузку. Поэтому физику всячески упрощают, и в современных играх мы видим пик ее реализма, сделать лучше пока просто не дает железо.

Если подытожить, то можно сказать, что физика в видеоиграх до сих пор считается одной из самых сложных составляющих проекта. Разработчики регулярно пытаются ее сбалансировать, чтобы найти золотую середину между приемлемым количеством вычислений и реализмом. При этом создатели игр не забывают и о том, что проект должен быть интересным. Именно поэтому они используют различные уловки, которые, может, и идут в минус реализму, зато помогают дать больше мощности более интересным элементам геймплея.

Надеемся, что эта статья стала для вас полезной, и вы узнали что-то новое об игровой физике. Если хотите углубиться в тему, то можете почитать документацию к таким игровым движкам, как Unity и Unreal Engine 4, у них есть огромные разделы про физику в играх, где все расписано более подробно.