Квантовый компьютер — что это простыми словами, принцип действия
Очередной привет всем читателям моего блога! Вчера в новостях проскочила в очередной раз пара сюжетов о «квантовом» компьютере. Мы из школьного курса физики знаем, что квант — это некая одинаковая порция энергии, еще есть словосочетание «квантовый скачок», то есть мнгновенный переход с некоего уровня энергии на еще более высокий уровень.. Давайте вместе разбираться, что такое квантовый компьютер, и что нас всех ожидает, когда появится эта чудо машина
Я впервые начал интересоваться этой темой при просмотре фильмов про Эдварда Сноудена. Как известно, этот американский гражданин собрал несколько терабайт конфиденциальной информации (компромата) о деятельности спецслужб США, хорошенько зашифровал ее и выложил в Интернет. «Если, сказал он, со мной что-нибудь случиться, информация будет расшифрована и станет таким образом доступна для всех.»
Расчет был на то, что информация эта «горячая», будет актуальна еще лет десять. А расшифровать ее можно современными вычислительными мощностями то же не меньше, чем через десять или больше лет. Квантовый же компьютер по ожиданиям разработчиков справится с этой задачей минут за двадцать пять.. Криптографы в панике. Вот такой «квантовый» скачок нас скоро ожидает, друзья.
Google заявил о создании самого мощного в мире квантового суперкомпьютера
Созданный компанией процессор за три минуты совершил расчет, на который самому мощному компьютеру понадобились бы тысячелетия 21 сентября 2019
Отмечается, что отдельного бюджета на НКЛ не предусмотрено, однако консорциум будет создаваться в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям, написанной «Росатомом». Программа в конце июля 2020 года была утверждена комиссией кабмина по цифровому развитию, использованию информационных технологий для улучшения качества жизни и условий ведения предпринимательской деятельности.
Юнусов уточнил: к концу 2024 года ожидается, что будет создан квантовый компьютер из 30-100 кубитов. Машина будет в состоянии решать сложные задачи. В более далекой перспективе российские ученые намерены создать универсальную вычислительную машину на основе нескольких сотен кубитов. Такой компьютер мог бы решать практические задачи, важные для экономики страны. «Члены НКЛ будут заниматься выполнением основной задачи документа — построения квантового компьютера», — отметил Юнусов.
В будущем, как ожидает руководитель НКЛ, количество участников консорциума расширится. Также в рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью две тысячи квадратных метров, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тысячи квадратных метров.
Материалы по тегу «квантовый компьютер»
Инженеры НГТУ НЭТИ создали опытную партию первых отечественных криогенных СВЧ-усилителей, необходимых для проведения исследований, связанных с созданием квантовых систем обработки информации на сверхпроводящих кубитах
Группа ученых из Российского квантового центра продемонстрировала возможность масштабирования квантовых компьютеров, не наращивая количество квантовых носителей информации, а используя их дополнительные уровни
Предложенная теоретическая модель является наиболее эффективной из основных существующих концепций по созданию единиц памяти для компьютеров будущего
Группа исследователей под руководством преподавателя Института квантовых вычислений (IQC) выполнила первое в истории моделирование барионов — фундаментальных квантовых частиц — на квантовом компьютере. – пишет eurekalert.org.
Создание квантового компьютера – задача для ученых всего мира. Научный коллектив СПбПУ и МГУ сделал новый шаг в этом направлении – теоретические изыскания фактически полностью совпали с экспериментом
Директор ФИАН Николай Колачевский о квантовых вычислениях и отставании России
Можно ли с помощью суперкомпьютера создать полномасштабную модель человеческого мозга? Какое место в мировой гонке вычислений занимает Россия? Эти и другие темы мы обсудили с академиком РАН Игорем Каляевым
В МФТИ впервые в России создана квантовая интегральная схема на основе пяти сверхпроводниковых кубитов. Она является важным шагом на пути создания полномасштабных универсальных квантовых процессоров и симуляторов
Сверхпроводящие кубиты, квантовый компьютер и другие тайны серого коридора учебно-лабораторного комплекса МГТУ имени Баумана
Исследователю Сколтеха удалось приблизить перспективы квантовых вычислений, сделав открытие, доказывающее универсальный характер их вариационной модели
Ученые НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра и Технологического института Карлсруэ разработали квантовый сенсор, позволяющий обнаруживать дефекты в работе квантовых систем
Alibaba
В Китае главным интернет-гигантом является Alibaba, а не Google. А в июле 2015 года они объединилась с Китайской Академией Наук, чтобы сформировать «Лабораторию квантовых вычислений CAS — Alibaba». Как пояснил профессор Цзянвэй Пан, их цель состоит в том, чтобы «провести передовые исследования систем, которые кажутся наиболее многообещающими для реализации практических приложений квантовых вычислений, а также разрушить узкие места закона Мура и классических вычислений». Вы можете посетить сайт лаборатории здесь.
Как и IBM, Alibaba сделала экспериментальный квантовый компьютер доступным в Интернете. В частности, в марте 2018 года китайский гигант электронного бизнеса запустил своё «сверхпроводящее облако квантовых вычислений», чтобы обеспечить доступ к 11-кубитному квантовому компьютеру. Он был разработан с Китайской Академией Наук и позволяет пользователям запускать квантовые программы и загружать результаты.
Одним предложением
- New Atlas оценил проекты первых обладателей премии XPrize по извлечению СО2 из атмосферы: $100 млн дал Илон Маск.
- Культовый японский производитель тостеров показал маленький смартфон.
- «Скажи мне, кто твой друг»: стартап Voyager Labs ищет в соцсетях преступников, в том числе будущих.
- В RIBA сформировали шорт-лист одной из самых человечных архитектурных премий: три сооружения для людей и чистого будущего.
- В этом дайджесте много серьезных ученых, но есть и забавные: американские инженеры исследовали идеальный щелчок пальцами.
Нашли ошибку в тексте — выделите её и нажмите Ctrl+Enter. Нашли ошибку в тексте — выделите её и нажмите кнопку «Сообщить об ошибке».
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.
Предел Мура
До начала 1980-х годов компьютеры воспринимались обществом и специалистами исключительно как вычислительные машины — громоздкие, дорогие и требовательные. Например, директор IBM Томас Уотсон как-то заявил, что компьютеры всегда будут штучным продуктом, а Кен Олсон, президент корпорации DEC, уверенно прогнозировал, что на персональные компьютеры никогда не будет спроса. Переломным стал август 1981 года, когда IBM выпустила на рынок серийную модель компьютера PC. Хотя самая дешёвая версия стоила больше полутора тысяч долларов, до конца года было продано 136 тысяч экземпляров. Персональные компьютеры оказались востребованы не только учёными и инженерами, но и обычными пользователями.
Первая универсальная вычислительная машина ENIAC, построенная в 1946 году, весила 27 тонн и использовала в качестве элементной базы вакуумные лампы
Попытки выпустить серийный персональный компьютер предпринимались и до IBM, но модель PC 5150, которая стала первой по-настоящему массовой, обладала преимуществами, предопределившими развитие компьютеров на десятилетия вперёд. Во-первых, она строилась на принципах «открытой архитектуры», позволяющей сторонним разработчикам создавать различные устройства, совместимые с компьютером. Во-вторых, она была достаточно компактна, чтобы помещаться на стол. В-третьих, вместе с компьютерами распространялось программное обеспечение, востребованное офисными работниками: текстовый редактор и электронные таблицы. Вскоре появились программы, работающие с графикой, и первые компьютерные игры, написанные специально для PC.
Первый настольный компьютер, завоевавший мировой рынок, — IBM PC 5150
Первый вариант смартфона под названием Simon выпустила компания IBM
Персональные компьютеры быстро завоевали мир, поскольку оказалось, что они могут использоваться почти в любой сфере. Через десять лет после появления первой массовой модели PC начали распространятся электронные сети, связывающие компьютеры друг с другом, — родилась Всемирная паутина. Параллельное внедрение средств сотовой связи создало предпосылки для появления смартфонов — мобильных телефонов с начинкой и программным обеспечением как у полноценного компьютера. Первое такое устройство называлось Simon, и на рынок его выпустила всё та же IBM в 1994 году.
Дальнейшее развитие компьютеров было направлено на миниатюризацию и рост производительности. Наряду с настольными моделями в обиход вошли ноутбуки, нетбуки, наладонники и планшеты. В настоящее время полноценный компьютер удалось уменьшить до размеров крупинки соли. В марте 2018 года компания IBM представила работающий прототип нового микрокомпьютера размером 1 мм². В нём стоит несколько сотен тысяч транзисторов, память SRAM и фотогальванические ячейки для энергоснабжения. Связь с внешним миром он поддерживает с помощью устройства, совмещающего фотодетектор и светодиод. По характеристикам микрокомпьютер сопоставим с IBM AT 386, то есть на нём вполне можно запустить первую версию Doom. При этом себестоимость девайса составляет всего 10 центов. Компания предполагает использовать его для чипизации при создании «умных» вещей.
В 1982 году журнал Time назвал «Человеком года» компьютер IBM PC
В 1965 году Гордон Мур, один из основателей компании Intel, обнаружил определённую закономерность в развитии микросхем, на основании чего позднее сформулировал эмпирический закон, названный его именем: удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной микросхемы при сохранении стоимости происходит каждые два года.
Для пояснения закона Мура сформулирована необычная аналогия: если бы авиапромышленность последнюю четверть века развивалась так же, как вычислительная техника, то сейчас «Боинг-767» стоил бы пятьсот долларов и облетал земной шар за двадцать минут, затрачивая не больше двадцати литров керосина.
Гордон Мур из Intel открыл, что каждые два года происходит удвоение вычислительной мощности процессоров при сохранении стоимости их производства
Однако недавно сам Мур признал, что закон скоро перестанет действовать, поскольку технология приближается к физическому пределу, который нереально преодолеть на полупроводниковой базе. Например, при производстве нынешнего поколения процессоров Tiger Lake используется технология с размером транзисторов 10 нанометров; следующее поколение Meteor Lake, которое предполагают внедрить в 2022 году, будет основано на технологии с разрешением 7 нанометров. И удвоение числа транзисторов после этого, скорее всего, недостижимо, ведь размер транзистора не может быть меньше нескольких десятков атомов (размер атома кремния — 0,2 нанометра). Подсчитано, что даже если удастся создать транзистор, состоящий из одного электрона, то действие закона всё равно закончится — в 2036 году.
Персональные компьютеры будут уменьшаться.
Но этому есть предел
Получается, что в течение ещё двух десятков лет возможно появление более миниатюрных и производительных компьютеров, чем раньше, но предел уже виден, и пора начинать поиск альтернативных путей развития.
Мозговой процессор
Идею усилить человеческий интеллект за счёт компьютера по аналогии с тем, как электромеханические приспособления усиливают мускульные действия, первым высказал английский психиатр Уильям Эшби в монографии «Введение в кибернетику», изданной в 1956 году. Через шесть лет американский учёный Дуглас Энгельбарт, прославившийся как изобретатель компьютерной мыши, в докладе «Дополнение человеческого интеллекта: концептуальная основа» сформулировал понятие экзокортекса — внешней для человека системы обработки информации. Сегодня под такой системой понимают компьютеры, объединённые через интернет, однако сам Энгельбарт имел в виду технологию, при которой становится возможным прямой обмен информацией по схеме мозг-компьютер. В 1973 году эта технология получила своё современное название — нейрокомпьютерный интерфейс.
Внедрение нейрокомпьютерных интерфейсов началось с опытов на шимпанзе
Развитие нейрокомпьютерных интерфейсов шло двумя путями: управление поведением животных с помощью компьютера и создание электронных протезов для людей с ограниченными возможностями. В 1998 году американский нейролог Филипп Кеннеди, которого называют «отцом киборгов», впервые имплантировал нейрокомпьютерный интерфейс в мозг парализованного ветерана Джонни Рэя. Пациент получил возможность управлять мышиным курсором и таким образом общаться с внешним миром, используя различные программы. В 2004 году Кеннеди вживил интерфейс 16-летнему Эрику Рэмси, утратившему способность говорить, и добился того, чтобы пациент смог произнести несколько слов через специальный декодер. В 2006 году специалисты компании CNS (Cyberkinetics Neurotechnology Systems) продемонстрировали миру Мэттью Нейгла — футбольную звезду из штата Массачусетс, который оказался частично парализован после драки. Ему имплантировали интерфейс, который позволял не только управлять курсором, но и играть в компьютерные игры, переключать каналы телевизора, шевелить электромеханической рукой и так далее. С этого момента различные виды нейрокомпьютерных интерфейсов начали завоёвывать рынок. Ведь гаджеты, придуманные для инвалидов, могут использоваться обычными людьми.
В ближайшее время ожидается появление нового поколения нейроинтерфейсов: в виде «умных» татуировок на ушах и в виде нейропыли — сверхминиатюрных электронных сенсоров, которые будут внедряться в сосудистую оболочку мозга. По мере их распространения станет развиваться и программное обеспечение, осуществляющее коммуникацию, вплоть до появления «синтетической» телепатии, когда отдельные люди смогут общаться друг с другом без использования речевого аппарата.
В конечном итоге «синтетическая» телепатия позволит создавать «аватаров» — роботов или искусственных существ, которыми оператор будет управлять как своим собственным телом. Возможен и обратный процесс, при котором компьютерные программы будут «арендовать» человеческие мозги для выполнения в природной нейросети наиболее сложных вычислений.
Без сомнения, внедрение нейрокомпьютерных интерфейсов изменит наш мир сильнее, чем некогда — появление персональных компьютеров. Новая технология найдёт применение в военном деле и сфере безопасности, в науке и космонавтике, в медицине и образовании, в маркетинге и развлечениях. Согласно прогнозам футурологов, в ближайшем будущем сформируется и начнёт полноценно функционировать мозго-сеть (brainet, брейнет), соединяющая посредством нейроинтерфейсов мозги людей, высших животных и интеллектуальные программы-агенты в мощнейший органический компьютер, где будет происходить обмен знаниями, включая подсознательный опыт.
Нейрокомпьютерным интерфейсом можно пользоваться без хирургического вмешательства
В будущем нейрокомпьютерные интерфейсы будут выглядеть намного элегантнее
Футурологи составили даже «дорожную карту» перехода от интернета к брейнету. До 2024 года будет создан рабочий прототип мозго-сети, предпосылками к появлению которого станут распространение гаджетов с обратной связью, внедрение технологии «дополненной реальности», поступление на рынок серийных биопротезов и экзоскелетов. В то же время учёные научатся оцифровывать различные психические процессы, за счёт чего можно будет сохранять, воспроизводить или продуцировать любые ощущения. В период с 2025 по 2035 год брейнет будет развиваться, обретая новые возможности. Социальные сети и онлайн-игры станут площадками для объединения в «групповые интеллекты». Будет завершено картирование мозга и реализован перевод «языка» нейронов. Начнутся эксперименты по созданию иных вариантов разума. Устройства с нейроинтерфейсами полностью вытеснят прежние средства связи. Многие профессиональные виды деятельности станут невозможны без подключения к мозго-сети, что поспособствует формированию нейросообществ, объединённых общими задачами или интересами. После 2035 года брейнет захватит все средства коммуникации, контролируя и направляя жизнь человечества.
Возможно, предложенный прогноз слишком оптимистичен и воцарение мозго-сетей будет выглядеть как-то по-другому. Однако не приходится сомневаться: симбиоз человека с компьютером становится всё теснее, и когда-нибудь количество перейдёт в качество, породив принципиально новый вид обработки информации.
Глава шестая
Заключение
Краткосрочные последствия квантовых компьютеров иногда преувеличиваются. Существующие квантовые компьютеры необходимо будет увеличить в 1 миллион раз, прежде чем они станут актуальными для криптографии. Краткосрочные квантовые компьютеры пока не имеют гарантированных приложений, но моделирование для научных исследований выглядит многообещающим и может иметь серьезные экономические последствия. Квантовые датчики гораздо ближе к коммерческому развертыванию и могут обеспечить значительные улучшения в получении изображений на большом расстоянии, синхронизации и обнаружении электрических, магнитных и гравитационных полей как в коммерческих, так и в военных целях. QKD, в принципе, может улучшить защиту коммуникаций от подслушивания, но многие эксперты из США и Великобритании скептически относятся к тому, что это окажется полезным на практике. В дальнейшем более сложные формы технологии квантовой связи могут быть использованы для объединения в сеть квантовых компьютеров и датчиков, но эти сети все еще находятся на очень ранней стадии развития.
Соединенные Штаты, за которыми следуют Канада, Великобритания и ЕС, являются мировыми лидерами в области квантового зондирования и вычислений. Китай решил сосредоточить свои исследовательские усилия на квантовой связи и считается мировым лидером в этой области, потому что это единственная страна, которая запустила спутник QKD и проложила крупнейшую в мире сеть волоконно-оптических кабелей для QKD. Однако ни Соединенные Штаты, ни Китай не имеют явного лидерства в квантовых технологиях в целом. Комиссия США и Китая по обзору экономики и безопасности охарактеризовал квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между двумя странами.
