Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Сейчас много говорят о новых технологиях вычисления — в частности, то и дело звучат слова «квантовые вычисления», «квантовый интернет» и даже «квантовая криптография». Посмотрим, что это такое и нужно ли оно нам. Начнём с квантового компьютера.
В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так:
- В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.
- В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.
- Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
- Из-за того, что транзисторов очень много (миллиарды), а работают они очень быстро (близко к скорости света), транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
- Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.
Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.
Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует.
В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке:
Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере
Что такое квантовый компьютер?
Если говорить коротко, в классических компьютерах для хранения информации используются биты. А в квантовых компьютерах для этого используются так называемые кубиты, которые вмещают в себя гораздо больше данных. Именно поэтому считается, что квантовые компьютеры потенциально гораздо мощнее, чем классические. Только вот на данный момент ученые не умеют управлять большим количеством кубитов и в квантовых компьютерах их насчитывается всего лишь несколько десятков. А вот в обычных компьютерах количество оперативной памяти составляет несколько гигабайт, то есть десятки миллиардов (!) битов.
На данный момент квантовые компьютеры выглядят примерно так
Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.
Что дает эта кубитность?
Устройство, работающее на такой системе, может одновременно выполнять те задачи, которые транзисторный компьютер решал бы последовательно и очень долго. Так, например, квантовая машина Sycamore, по заявлениям Google, за несколько минут выполнила операцию, на которую транзисторному компьютеру понадобилось бы 10 000 лет. Это означает, что многие операции и системы, которые обеспечивали безопасность приватных данных и платежной информации, могут оказаться в опасности. Однако на самом деле все не так страшно и драматично, так что можно не спешить снимать все деньги с карт и собираться в тайгу.
Полностью самостоятельный квантовый компьютер пока еще гипотетическая модель, а те конструкции, которые существуют на сегодняшний день называются квантовыми машинами, подключаются к транзисторным компьютерам и оперируются через них. И пока ученые сомневаются, что квантовые компьютеры захватят рынок и станут доступны простым пользователям. Эти технологии дорогие в производстве и довольно сложные в обслуживании. Система кубитов, которые находятся одновременно в нескольких состояниях, сложная и нестабильная, а чем больше кубитов, тем сложнее эту систему поддерживать.
Как можно себе представить, старый добрый Windows на такой компьютер не установишь, интересные фильмы не посмотришь и подкасты не послушаешь. Но для чего он тогда нужен?
Выполнение сложных вычислительных задач
Например, квантовый компьютер может производить разложение на множители — операцию, которая используется для шифрования платежных данных и банковских операций.
Изучение возможностей машинного обучения
Поскольку квантовый компьютер может осваивать большее количество информации одновременно, его постепенно начинают подключать к работе с изучением машинного обучения. В частности, квантовый компьютер используется для обучения беспилотных автомобилей.
Моделирование и визуализация
Предполагается, что с помощью квантового компьютера можно будет построить модель сложных природных процессов, происходящих на молекулярном уровне.
Кто придумал квантовый компьютер?
11 мая 1918 года, 90 лет назад, в Нью-Йорке родился Ричард Филипс Фейнман (Richard Phillips Feynman) — американский физик-теоретик, внёсший существенный вклад в создание современной квантовой электродинамики. В 1939 году окончил Массачусетский технологический институт, степень же доктора философии получил в 1942 году в Принстонском университете, там же работал, в 1943−45 годах участвовал в американском атомном проекте в Лос-Аламосской лаборатории, в 1945−50 годах работал в Корнеллском университете. С 1950 года — профессор Калифорнийского технологического института.
Работы Фейнмана посвящены квантовой теории поля, квантовой электродинамике, физике элементарных частиц, статистической физике, сверхпроводимости, теории гравитации. В 1948 году независимо от Ю. Швингера и С. Томонаги построил современную квантовую электродинамику (Нобелевская премия по физике в 1965 году). В 1949 году разработал способ объяснения возможных превращений частиц — так называемые диаграммы Фейнмана. Вместе с Гелл-Манном (независимо от Р. Маршака и Э. Сударшана) создал в 1958 году количественную теорию слабых взаимодействий.
Независимо от Л. Онсагера развил в 1955 году теорию квантованных вихрей в сверхтекучем гелии, показав, что при достаточно больших скоростях жидкий гелий должен быть пронизан квантованными вихрями. Одним из первых в 1963 году предложил применять методы теории возмущений квантовой теории поля к проблеме квантования гравитации.
В 1969 году предложил модель нуклона, в которой точечные составные части протона и нейтрона, на которых происходит неупругое рассеяние электронов высоких энергий, назвал партонами (партонная модель нуклона). Для квантовой механики разработал метод интегрирования по траекториям.
В 1972 году развил полуфеноменологическую картину генерации новых частиц в процессе столкновений (масштабная инвариантность или скейлинг). Предсказал, что если энергетический спектр генерируемых частиц строить в определённом масштабе, то при высоких энергиях он должен достигать универсальной предельной формы — формы плато, слабо (логарифмически) расширяющегося по мере дальнейшего роста энергии.
В начале 80-х годов Фейнман предложил логичную идею — точное моделирование явлений квантовой физики должно происходить и на соответствующем компьютере принципиально нового типа — квантовом. И спустя 25 лет после пионерской публикации Ричарда Фейнмана квантовые вычисления и квантовая теория информации — это уже не область смелых теоретических прорывов в будущее, а широкомасштабная кропотливая работа по поиску наиболее эффективных практических реализаций квантовых компьютеров.
Повезло поколениям студентов-физиков, которые слушали его лекции. На них оказали влияние оригинальность мышления и артистизм Фейнмана как лектора. Например, он придумал метод интуитивного угадывания формулы и последующего доказательства ее правильности. Духом автора проникнут известный курс «Фейнмановские лекции по физике». Эти тома 40 лет стоят у меня на полке, и я и сейчас иногда в них заглядываю.
