Один из интереснейших и наиболее перспективных разделов современной науки — квантовые вычисления. В их основе лежат не классические алгоритмы, а процессы квантовой физики.
Классические компьютеры оперируют битами — работают с использованием двоичной системы счисления. Бит может находиться только в одном состоянии — 0 или 1 (true или false, positive или negative). В основе же квантовой вычислительной модели лежит понятие кубита, или квантового бита (от англ. quantum bit, q-bit).
Квантовые биты до измерения способны быть и 0, и 1 одновременно с различными «весами», представляя диапазон значений, — это явление носит название принципа суперпозиции. Именно в таком состоянии находится знаменитый кот Шредингера, который в эксперименте одновременно и жив, и мертв, пока не проведено наблюдение. Измерение кубита также мгновенно «схлопывает» его состояние в одно из базисных — 0 или 1.
Использующие кубиты квантовые компьютеры теоретически могут одновременно оперировать экспоненциально большим числом состояний и справляться с такими задачами, на которые современному цифровому компьютеру понадобятся тысячи или даже миллионы лет.
Искусственный интеллект
Основной областью применения для квантовых вычислений считается искусственный интеллект (ИИ). ИИ опирается на принцип обучения на собственном опыте: он становится все более точным благодаря обратной связи, которая поступает, пока компьютерная программа не проявит «интеллект».
Эта обратная связь основана на вычислении вероятностей множества возможных вариантов, и поэтому ИИ — это идеальный кандидат для квантовых вычислений. Он обещает перевернуть каждую отрасль, от автомобилестроения до медицины, и говорят, что ИИ в XXI веке будет тем, чем было электричество в XX-м.
Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для тестирования программного обеспечения автопилота, которое в настоящее время слишком сложно для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки софта, который сможет отличать автомобили от объектов на местности. Мы уже достигли точки, где ИИ порождает ИИ, и поэтому его значимость будет быстро возрастать.
Мы знаем, что Google, IBM, Microsoft, Alibaba, Intel — все крупные IT-компании инвестируют в кванты, понимая, что это следующий шаг развития вычислительных технологий.
За счет ресурсов частного капитала им удается двигаться вперед очень быстро. Нам, чтобы их нагнать, нужно сфокусировать усилия в этом направлении.
— Однако в Nature писали, что квантовые компьютеры могли появиться чуть ли не в 2017 году. Сейчас 2020-й, их всё еще нет. Почему и чего, на ваш взгляд, человечеству не хватает: математических знаний, технологий, материалов?
— Почему сложно построить большой квантовый компьютер? С одной стороны, нам нужно очень много квантовых объектов, с другой, каждый из них мы должны индивидуально контролировать. И эти требования в реальных физических системах вступают в противоречие.
Есть системы, которые хорошо масштабируются, в них можно создать много кубитов , но контроль над каждым кубитом будет очень слабым. А есть системы, где каждая отдельная частица поддается нашему максимальному контролю, но создать много таких квантовых объектов проблематично.
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.
Когда квантовые компьютеры появятся в магазинах
Скорее всего никогда. В основном они будут использоваться учеными и предприятиями, которые, вероятно, будут иметь к ним удаленный доступ. Это сложнейшая технология в освоении и производстве, поэтому серийное производство не рассматривается.
Фото: habr.com
Что такое квантовый компьютер
Квантовый компьютер — это устройство, построенное на основе так называемых «квантовых битов», или кубитов. Что это такое и чем он отличается от обычных битов в классическом компьютере?
В «обычном» компьютере один бит может иметь два состояния (0 или 1), таким образом, n бит позволяют записать 2 n состояний. Иными словами, 8 бит позволяют нам записать диапазон из 256 значений.
Кубит, как и обычный бит, имеет два собственных состояния, но кроме того, он ещё может находиться в суперпозиции этих двух состояний (то есть своего рода их сумме). Система из n кубитов (квантовый регистр) позволяет записать 2 n базисных состояний, плюс бесконечное количество состояний, представляющих собой суперпозицию этих базисных состояний. По сути пространство состояний системы кубитов является гильбертовым пространством, а вычислительные операции соответствуют повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. При этом квантовый вычислительный процесс изменяет сразу все коэффициенты в суперпозиции, что обеспечивает невиданный доселе параллелизм квантовых вычислений.
В упрощённом виде вычисления на квантовом компьютере выглядят следующим образом: мы записываем на набор кубитов начальное состояние, которое затем изменяется при помощи математических преобразований, известных как «унитарные операции». После этого измеряется состояние системы, и результат измерения является результатом работы компьютера.
В роли физического воплощение кубита может выступать любой объект, имеющий два квантовых состояния. Например, электронные состояния ионов, поляризационные состояния фотонов, спины атомов и т.п.
Китайский связной
Google и IBM конкурируют в развитии квантовых вычислений с Microsoft, Intel, Honeywell и другими крупными американскими IT-игроками. А вот в квантовых коммуникациях первенство пока что уверенно держат исследователи из Китая. В 2017 году Китайская академия наук запустила первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы», успешно обеспечивший межконтинентальный канал передачи между Пекином и Веной. В том же году китайские ученые запустили первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяженностью свыше 2 тыс. км, соединившую Пекин и Шанхай.
Правда, оба канала используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объемы информации. Связано это с тем, что из-за инженерных сложностей на значительные расстояния удается успешно пересылать лишь очень небольшое количество запутанных частиц.
Впрочем, в феврале 2020 года научно-исследовательская группа под руководством Пан Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая (г. Хэфэй) добилась прорывных результатов в повышении пропускной способности квантовой связи. Им удалось повысить число фотонов, успешно добирающихся до «адресата» по оптоволоконной линии в 50 км, с 1 из 100 000 000 000 000 000 (100 квадриллионов) до 1 из 100.
«Китай на сегодняшний день без сомнения является лидером в квантовой связи,— отмечает Юнусов.— Их недавние результаты по запутыванию частиц — это большой шаг к созданию квантовых ретрансляторов, необходимых для организации полноценного квантового интернета, в котором возможна защита всей передаваемой информации от взлома. Станет ли квантовый интернет глобальным явлением? Думаю, что да, но говорить об этом еще очень рано. Его время придет с развитием квантовых вычислений, когда такая сеть сможет решать не только вопросы безопасности, но и позволит соединять квантовые компьютеры».
Литература
1. A. Ambainis. What can we do with a quantum computer? Institute for Advanced Studies Ideas, 2014. URL: www.ias.edu/ideas/2014/ambainis-quantum-computing (дата обращения: 26.08.2019).
2. A. Beall, M. Reynolds. What are quantum computers and how do they work? Wired explains. Wired, Feb. 16, 2018. URL: www.wired.co.uk/article/quantum-computing-explained (дата обращения: 26.08.2019).
3. W. Knight. Intelligent machines: serious quantum computers arefinally here. What are we going to dowith them? MIT Technol. Rev., Feb. 21, 2018. URL: www.technologyreview.com/s/610250/serious-quantum-computers-are-finally-here-what-are-we-going-to-do-with-them (дата обращения: 26.08.2019).
4. M. Dyakonov. The case against quantum computing. IEEE Spectr., Nov. 15, 2018. URL: spectrum.ieee.org/computing/hardware/the-case-against-quantum-computing (дата обращения: 26.08.2019).
Катерин Макгиох ( cmcgeoch@dwavesys.com ) — главный научный сотрудник подразделения эталонного тестирования, Ричард Харрис ( rharris@dwavesys.com ) — главный научный сотрудник, Стивен Райнхардт — руководитель группы, Павел Бунык ( pbunyk@dwavesys.com ) — главный архитектор и руководитель подразделения по проектированию и макетированию, D-Wave.
Catherine C. McGeoch, Richard Harris, Steven P. Reinhardt, Paul I. Bunyk, Practical Annealing-Based Quantum Computing. IEEE Computer, June 2019, IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.
В перспективе
Даже за пределами квантового превосходства эксперты уверяют нас, что для традиционных компьютеров и суперкомпьютеров все же найдется место. До тех пор есть еще стоит решить проблемы со стоимостью, размером, надежностью и вычислительной мощностью, прежде чем мы сможем это обсудить.
«Следует перевести дыхание, — сказал аналитик Брисс. — В этой области происходит много захватывающих вещей, отнимающих время. Это конгломерат физики, информатики и, откровенно говоря, научного анализа. Нам не пришлось бы изучать это, если бы мы знали все ответы, но в будущем нас ждет большой объем исследовательской работы “.
Квантовый компьютер Rigetti. Фото: Rigetti
Тем не менее, для многих ясно, что за этим будущее. Точно так же, как производители первого мэйнфрейм-компьютера не осознавали, что это в конечном итоге приведет к увеличению числа карманных смартфонов размером с ладонь. Квантовый компьютер может стать первым шагом на совершенно новом пути.
Немногие, подобные вице-президенту Microsoft по корпоративному управлению Тодду Холмдалу, достаточно оптимистичны, чтобы заявить, что это может быть более значимым, чем искусственный интеллект и машинное обучение сегодня. Раньше он говорил своим детям, что они должны заниматься тем, чем увлечены, и что они всегда могут получить работу в области искусственного интеллекта. Теперь он скажет тоже самое о квантовых вычислениях.
«Это область, которая будет развиваться. Нам нужны люди, чтобы заполнить ее и не дать зачахнуть, — сказал Холмдал. — Она играет важную роль для нашего поколении, дающая возможность создавать удивительные вещи в будущем».
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
