Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.
Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.
Трюдо, нимало не смутившись, в двух словах объяснил принцип работы этих устройств, что сделало его в глазах прогрессивной общественности настоящей звездой. Почему именно этот вопрос журналист посчитал наиболее каверзным? Действительно ли можно разобраться в том, что такое квантовые вычисления и квантовая механика, не будучи специалистом? Не будем утверждать, что это легкая задача, но давайте попробуем. Итак, квантовый компьютер для чайников.
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
Сроки запуска и целевая аудитория
Поставки своего миниатюрного квантового компьютера SpinQ собирается наладить в IV квартале 2021 г. С учетом своих возможностей компьютер, у которого пока нет конкретного названия, пригодится в школах и колледжах – он позволит ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей, и эти знания помогут им в дальнейшем открыть для себя мир по-настоящему производительных квантовых систем.
Для SpinQ это уже вторая попытка вывести миниатюрные квантовые компьютеры на рынок. Первую компания предприняла в начале января 2020 г., продемонстрировав на конференции Quantum Information Processing (QIP2020) двухкубитовый квантовый компьютер Gemini. Как и новая модель, он тоже основан на явлении ядерного магнитного резонанса, и он же подарил ей свой внешний вид.
SpinQ предложила Gemini нескольким учебным заведениям в Канаде, Китае и Тайване, но особого интереса у них он не вызвал по двум причинам – каждый такой компьютер весил 55 кг и стоил около $50 тыс. (3,79 млн руб.). За год разработчикам удалось снизить стоимость компьютера в десять раз, а вот вес новой модели они не уточняют.
Ничейная полоса
В будущем, как отметил Смелянский , Google планирует применять квантовые компьютеры , чтобы создавать научные задачи, на которых будут обучаться системы искусственного интеллекта , а также для химических расчетов на уровне отдельных атомов. Однако это станет возможным только после того, как ученые решат еще одну важную задачу.
«Есть еще задачи квантовой химии, однако пока мы не понимаем, можно ли их будет решать без создания систем коррекции ошибок, в отличие от тех алгоритмов, о которых я уже говорил. По сути, мы перейдем в новое измерение, когда эта веха будет достигнута, так как мы сможем ставить перед собой совершенно иные, более амбициозные и сложные проблемы», – отметил физик.
С помощью алгоритмов коррекции ошибок физики и химики смогут просчитывать, как взаимодействуют между собой отдельные атомы и электроны внутри самых сложных молекул. Благодаря этому ученые смогут точно предсказывать, какие свойства есть у то или иного – даже пока не существующего – соединения, а также целенаправленно синтезировать вещества с конкретными свойствами.
По словам Смелянского , для этого пока не хватает двух вещей. С одной стороны, количество кубитов в квантовых компьютерах пока слишком невелико для того, чтобы на них могли работать уже существующие алгоритмы квантовой коррекции ошибок. С другой стороны кубиты во время простых вычислительных операций пока делают слишком много случайных ошибок.
Из-за этого ученые пока не могут создавать достаточно большие квантовые компьютеры , которые могли бы самостоятельно исправлять ошибки в своей работе. В результате квантовые компьютеры находятся в своеобразной «ничейной полосе». Их можно использовать для решения ограниченного числа сложных практических задач, однако пока нельзя превратить в универсальные вычислительные машины.
«Мы предполагаем, что той точности работы наших логических схем, которую сейчас можно достичь, скорее всего, не хватит для ведения квантово-химических расчетов. С другой стороны, пока этот вопрос открыт. Вполне возможно, что мы сможем реализовать какой-то более простой подход для коррекции ошибок, который не потребует кубитов , живущих бесконечно долго, подавления квантовых шумов и других сложных трюков. В течение нескольких лет мы будем этим заниматься», – отметил Смелянский .
Что такое квантовые компьютеры
Квантовый компьютер – это сверхмощное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию примерно в 100 трлн раз быстрее традиционного компьютера. Такая скорость пригодится для обработки больших данных, моделирования нейросетей, и много чего еще из того, что мы называем технологиями будущего.
У этой медали есть и другая сторона. Разработчики утверждают, что квантовый компьютер разрушит современную систему компьютерной безопасности. С такой скоростью обработки данных ничего не стоит за секунды проанализировать терабайты информации и взломать любой криптографический код.
Вот пример: банковские транзакции и сообщения шифруются при помощи алгоритма RSA. Подбирать к нему ключи на обычном компьютере придется десятки, а то и сотни тысяч лет. Квантовый справится с задачей за минуты.
«Сегодня мы находимся на стадии, когда у нас есть квантовые компьютеры – мы можем использовать их, программировать их. Мы в поиске устойчивых способов их индустриализации и стабилизации технологии. Также мы продолжаем учиться создавать алгоритмы для них», – так прокомментировал прогресс в сфере разработок квантовых компьютеров амбассадор IBM в Европе, доктор компьютерных наук Марк Мэттингли-Скотт во время одной из своих лекций.
Эксперт уверен, что человечество готово к таким машинам и последствиям их работы.
Как работает квантовый компьютер
Квантовый компьютер, в отличие от обычного, оперирует не битами (единица измерения информации в двоичной системе счисления), а квантовыми битами, или кубитами. Эта технология ускоряет работу устройства в сотни раз.
На аппаратном уровне квантовый компьютер тоже сложнее своего предшественника. В нем больше деталей и для эффективной работы ему необходимо постоянное охлаждение.
Какие квантовые компьютеры есть на рынке
Прототипы квантовых компьютеров появились в конце двадцатого века. Осенью 2019 года компания Google представила последнюю разработку, продемонстрировав новые возможности квантовых вычислений.
Эксперимент NASA показал, что машине потребовалось 3 минуты и 20 секунд для того, чтобы произвести расчет, на который самому мощному на тот момент суперкомпьютеру Summit (IBM) потребовалось бы около 10 тыс. лет.
Обзор квантового компьютера Google:
По неизвестным причинам команда NASA удалила отчет, но его успели скопировать журналисты The Financial Times.
В начале декабря 2020 года на рынке появился новый, еще более мощный квантовый компьютер, созданный группой китайских ученых под руководством известного физика Пань Цзяньвэй (Pan Jianwei). По результатам тестов, опубликованных в журнале Science, производительность устройства превысила показатели компьютера Google в 10 млрд раз, а современного суперкомпьютера – в 100 трлн раз.
Видеорепортаж с обзором китайского квантового компьютера:
При этом разработчики не рассказали, сколько стоит квантовый компьютер нового поколения.
Квантовые компьютеры на службе государства
Разработчики нового квантового компьютера считают, что создание такой машины приблизило Китай к квантовому превосходству. Высокопроизводительное устройство, способное оперативно решать сложные задачи, даст стране преимущества в различных отраслях, от химии до искусственного интеллекта и анализа больших данных.
На видео ниже Пань Цзяньвэй презентует этапы формирования «квантовой коммуникации» на базе собственных разработок и проводит параллели с развитием человеческой цивилизации.
Разработчик отметил, что 100 тыс. лет назад Человек разумный (Homo sapiens) победил в эволюционной борьбе более приспособленных к выживанию Неандертальцев (Homo neanderthalensis), потому что научился общаться и обмениваться информацией.
В 21 веке люди продолжают развивать коммуникацию, но уже на квантовом уровне. Цзяньвэй уверен, что работа в этом направлении будет основой дальнейшей эволюции человечества.
Как квантовые компьютеры стали врагами майнеров
Наличие сверхмощного вычислительного устройства даст человеку или группе людей преимущество и контроль над сетью, поставив под угрозу индустрию добычи криптовалют.
Для майнинга нужно высокопроизводительное оборудование. Участники рынка цифровых активов используют вычислительные мощности своих компьютеров, чтобы решать математические задачи. Одни работают на бытовых компьютерах, другие приобретают специальные устройства для добычи криптовалют – асики.
Вознаграждение получает тот, кто решит задачу раньше остальных, поэтому, чем выше производительность компьютера, тем больше шансов опередить конкурентов и получить награду. Иногда майнеры объединяют компьютерные мощности и решают задачи совместно. Единственный минус – прибыль приходится делить на всех участников пула.
Но майнеров равно много, они рассеяны по всему миру, так достигается эффект децентрализации.
Распределение добытых блоков по майнерам и пулам за последние 4 дня. График от 10 декабря 2020 года. Данные: blockchain.com
На графике видно, что активность майнеров в сети биткоина распределена между частными лицами и крупными пулами. Все участники сети конкурируют за право получить награду – поэтому на рынке нет единогласного лидера.
Совокупный объем вычислительных мощностей, которые майнеры подключили к сети биткоина, называют хэшрейтом. Благодаря соперничеству сторон, на рынке добычи криптовалют сохраняется равновесие – ведь все работают примерно на одном и том же оборудовании.
График хэшрейта биткоина. Данные: blockchain.com
Квантовые компьютеры могут нарушить этот баланс, перехватив 51% хэшрейта биткоина (так называемая атака 51%). Тот, кому принадлежат эти вычислительные мощности, получит контроль над сетью криптовалюты.
Такой захват власти нарушит работу сети и блокирует подтверждение транзакций. Кроме того, из-за атаки 51% возникнет угроза двойной траты.
Чтобы реализовать такую атаку при помощи компьютеров и асиков потребуется колоссальное количество денег и электроэнергии. Квантовый компьютер, подключенный к сети криптовалюты, решит эту задачу быстрее и дешевле.
Больше информации о майнинге криптовалют – его особенностях и вариантах работы вы сможете узнать из нашего материала.
Почему квантовые технологии угрожают криптовалютам
Перехват большей часть хэшрейта в сети биткоина и других криптовалют, при создании которых разработчики использовали криптографию, может полностью вывести проект из строя. Противостоять таким действиям смогут только пользователи, в распоряжении которых есть устройства с аналогичными показателями мощности.
На практике, такая схема вряд ли будет доступна. Дело в том, что купить квантовый компьютер сегодня, чтобы противостоять врагу – задача практически невыполнимая. Соответственно, атака со стороны владельца такого устройства на сеть биткоина может оказаться для нее фатальной.
По мнению аналитиков компании Deloitte, при помощи квантового компьютера, в том числе, можно организовать кражу криптовалюты (через задействование его вычислительных мощностей для подбора кодов доступа). В ходе своих работ, исследователи пришли к выводу о том, что уровень угрозы зависит от типа хранения монет. В зоне повышенного риска, по их подсчетам, находится, как минимум, 25% всех добытых биткоинов.
График квантовой уязвимости биткоинов. Данные: Deloitte
CEO британской криптографической компании Post-Quantum Андрисен Ченг (Andersen Cheng), в свою очередь, отметил в ходе интервью для DeCrypt, что сегодня участники криптосообщества должны заняться разработкой инструментов противодействия квантовым взломам. В противном случае, по его мнению, разрушительная сила таких машин может уничтожить биткоин.
Интересный факт! В настоящий момент созданием пост-квантовых криптографических алгоритмов занята команда Национального института стандартов и технологий США (NIST). При помощи разработок компании, в теории, в сети криптовалюты можно будет запрограммировать форк, чтобы организовать ответвление блокчейна. Новая «ветвь» сможет продолжить безопасную работу на базе нового, устойчивого к атакам квантовых компьютеров алгоритма.
Разработка NIST может появиться на рынке к 2022 году. До этого времени криптосообщество будет находиться в состоянии «квантовой неопределенности» своего будущего.
Несмотря на обозначенные риски, в сети также можно встретить мнения, согласно которым исходящая от квантовых компьютеров угроза биткоину чрезмерно преувеличена.
Чего еще боятся участники криптосообщества
Недавно популярный в криптосообществе аналитик, автор S2F-модели прогнозирования PlanB провел среди своих читателей опрос. Его темой стали главные риски, с которыми может столкнуться биткоин.
Квантовые компьютеры, несмотря на их разрушительную силу, оказались лишь на втором месте. При этом самой страшной, по мнению участников криптосообщества, угрозой стало регуляторное давление со стороны властей. В список других опасностей пользователи сети включили следующие пункты:
- Централизованный майнинг. Дело в том, что свыше 70% хэшрейта биткоина находится в Китае. В случае, если власти КНР получат контроль над местными майнерами, сеть криптовалюты может оказаться под угрозой.
- Мошенническое программное обеспечение и взломы.
- Производные финансовые инструменты.
- Форки – новые, улучшенные версии BTC.
«Они ученые, исследующие новые миры» — коренной американский индеец рассказал о встречах со «звездными людьми»
Для коренных индейцев понятие «Звездные люди» не просто миф, а повседневная реальность. Инопланетяне начали посещать индейцев еще в глубокой древности и между ними и индейцами установилась нерушимая связь, которая продолжается и в наши дни.
Сегодня я хочу рассказать Вам историю рассказанную коренным индейцем по имени Рассел. Он заслуженный ветеран войны во Вьетнаме, выросший в религиозной школе-интернате, подвергшийся там жестокому обращению, но именно тогда на контакт с ним впервые вышли «Звездные люди»:
Это было в интернате. Мне было около семи лет. Священник отвел меня в часовню. Он сказал мне встать на колени. Он сказал, что я должен оставаться там весь день, если я не научусь говорить по-английски. Когда священник ушел, я услышал, как он запирает дверь.
Я помню, насколько солеными были мои слезы, и я волновался, что мне придется пописать прямо здесь, стоя на коленях, когда внезапно за окном часовни появился свет и появилось существо.
Сначала я подумал, что меня спасает один из старших мальчиков. Но вместо этого, как я узнал, это был не старший мальчик, а звездный путешественник. Он поднял меня, прижал к себе, и мы прошли сквозь стену, как будто ее там не было. Он помог мне сбежать.
Они были похожи на роботов. Больше похожи на жуков, чем на земных мужчин, но я был так счастлив, что не был в часовне, вдали от тех монахинь и священников, что мне было все равно. Сам дьявол мог бы отвести меня в ад, и я был бы счастлив.
Думаю, эти звездные путешественники наблюдали за школой. Может, мой старик был прав. Он много раз рассказывал мне о них, я слушал, но воспринимал наши легенды, просто, как легенды. Они действительно следят за нами. Во всяком случае, они научили меня контролю над разумом. Они помогли мне научиться жить с болью и выживать в изоляции.
После того первого инцидента я больше никогда не чувствовал боли. Я мог бы стоять на коленях в течение 58 часов на полу этой часовни, плюнуть в лицо священнику и простоять еще 48 часов. Я просто ничего не чувствовал. Когда я поехал во Вьетнам, где меня схватили и пытали, я не чувствовал боли. Я научился отделять себя от своего тела и не чувствовать боли.
Думаю, Звездные люди меня чувствовали на расстоянии. Они знали, когда стресс и боль становились для меня слишком сильными. Вот тогда они приходили. Я всегда уходил с ними охотно не потому, что они мне особенно нравились, а потому, что мог уйти из более неудобной ситуации.
Они научили меня контролировать разум, и я научился использовать это против них. Вернее не против них, а стал это использовать в своих целях. Фактически, они сочли мою способность управлять разумом весьма интересной и я заставлял их делать что-то для меня.
Мы были в лагере для военнопленных. Очень мало еды. Я заставил их принести мне фрукты. В интернате у меня часто забирали еду. В лагере для военнопленных никому из нас не хватало еды, поэтому я настаивал, чтобы они принесли мне фрукты. Апельсины. Яблоки. Бананы. Именно тогда я узнал, что могу просто потребовать что-то и оно появлялось. Когда я думал, что мне нужен фрукт, он появлялся просто из воздуха.
Только за все это и я должен был что-то делать для них. Пройти медицинский осмотр. Позволить им собрать сперму и все необходимые образцы. Они проводили эксперименты с моими глазами и носом. Воздействовали на глаза разным жидкостями, разной степени яркостью света.
У них нет глаз, как у нас, или носа. Я думаю, они находят наши глаза очень интересными. У меня взяли много крови.
Они научили меня контролировать боль. Есть панели, и они помещают вас внутрь них. Панели перемещаются; одна часть движется в одном направлении, другая — в другом. Они движутся все быстрее и быстрее, пока вы не станете одним целым с панелями, и после этого вы не почувствуете боли.
Если бы я захотел, то мог бы попросить их забрать меня из плена и перенести в свою резервацию. Возможно, я мог бы выбрать этот путь. Но тогда я не думал об этом. Когда вы находитесь в лагере для военнопленных, с выживанием развивается дух товарищества.
Я никак не мог бросить своих друзей, и Звездные Люди не могли увести их всех в безопасное место. У них есть какие-то принципы не вмешиваться в жизнь, если это изменит ход истории.
Не думаю, что моя жизнь изменила бы историю, но был один парень, с которым я там был, который стал политиком. Другой стал генеральным директором большой компании. Так что, возможно, их спасение из того лагеря сделало бы их совсем другими людьми.
Я просто почему-то понял, что это не вариант и это не то, чего я хотел. То, что они пришли ко мне, было достаточным облегчением от того, что я был в плену. Они сделали это управляемым. Мое там пребывание.
Они похищают очень много людей. Я думаю, что они ученые, исследующие новые миры. Я даже не могу ответить чего в них больше — добра или зла.
Для меня они были добрыми. Я считал их хорошими, когда они спасали меня, но я видел и злую сторону. Я видел, как они причиняли боль людям, но не учили их контролировать боль. Похоже, им было все равно. Они причиняли людям неимоверную боль, но это не вызывало в них никаких эмоций или сопереживания.
Когда я был в армии, они несколько раз забирали всех солдат находившихся тогда в наших казармах. Они даже забрали наше оружие. Просто взяли и забрали всех с военной базы вместе со всем оружием.
Они все изучали. Оружие они никогда не оставляли у себя, исследовали, а затем все возвращали обратно на свои места.
Ко мне они относились совсем по другому чем к другим людям. Может потому, что я коренной американец и дед был прав, когда говорил, что у нас с ними особые отношения.
Когда нас вернули в казарму, никто из ребят не помнил об этом событии. Никто вообще ничего не помнил. Я всегда думал, что это странно. Однажды я сказал об этом одному парню.
Спросил неужели он вообще не помнит, что его забирали и делали с ним очень болезненные вещи и он спросил меня, пытаюсь ли я притвориться сумасшедшим, чтобы уйти со службы. Он сказал мне, что это не сработает. И посмеялся над моими словами.
Я считаю, что есть несколько рас из «других мест», которые посещают нашу планету. Я встречался только со «Звездными людьми», но есть и другие.
