0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Содержание

В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так:

  1. В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.
  2. 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.
  3. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
  4. 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.
  5. 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.
Статья в тему:  Скачать версию kate mobile. Вход в Kate Mobile с компьютера

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 квант и зачем он нужен

В классической физике величины могут изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые значения. Физика микромира дискретна: у величин есть ряд фиксированных значений, которые они могут принимать. Если пытаться вообразить такую ситуацию в макромире, то можно представить, например, что предметы имеют температуру, которая выражается только целым числом градусов. То есть 10, 20, 31, 36 градусов — может быть, а вот 36,6 — просто невозможно. Нагревать и охлаждать предметы можно, но при этом температура будет скакать туда-сюда сразу на градус. Примерно таким свойством обладают многие характеристики микромира.

Статья в тему:  Какая версия ios на iphone 6. Что такое iOS

В частности, энергия электромагнитного поля излучается только в виде дискретных неделимых порций. Вот такая порция и называется квантом. Предположение о существовании квантов сделал в 1900-1901 годах Макс Планк, положив тем самым начало квантовой теории, квантовой механике и еще много чему с прилагательным квантовый — в том числе и компьютерам.

Другим удивительным свойством фотонов, электронов и иных частиц является то, что они могут проявлять свойства как частиц, так и волн (поэтому мы можем говорить и о том, что свет — это электромагнитная волна, и о частицах света — фотонах). Для математического описания квантового мира физики используют волновые функции, однако в нашем простом комментарии мы их касаться не будем.

Частицы-волны обладают недоступной для макрообъектов способностью «находиться в нескольких местах одновременно». Говоря точнее, описать местонахождение не наблюдаемой непосредственно частицы в некотором месте можно только с некоторой вероятностью.

На наблюдения и измерения в микромире тоже есть существенное ограничение: принцип неопределенности Гейзенберга . Чтобы избежать определения «произведение стандартных отклонений измерений двух сопряженных переменных состояния не может быть меньше константы», популярно его обычно объясняют так: нельзя точно измерить одновременно скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот.

Гейзенберга, превышающего скорость, догоняет полицейский автомобиль.
— Вы хоть знаете, как быстро едете? — кричит полицейский.
— Нет, зато я знаю, где я нахожусь!
Популярный анекдот.

Статья в тему:  Сравнение антивирусных программ. Антивирусы для Windows

Пока мы объекты не измеряем, они ведут себя и того хуже. Если квантовая система может находиться в нескольких состояниях и неизвестно, в каком именно она находится, то говорят о суперпозиции состояний. Можно говорить, что неизвестно, в каком состоянии находится система, или что она находится в нескольких состояниях одновременно, это вопрос интерпретации. В любом случае при измерении система выбирает одно из состояний.

Известным наглядным примером является мысленный эксперимент, называемый «кот Шредингера»: в закрытый ящик помещены живой кот, емкость с ядовитым газом и радиоактивное ядро. Если ядро распадается, оно приводит в действие механизм, который открывает емкость с газом и тем самым убивает кота. Вероятность того, что ядро распадется за час, — 50 процентов. Через час кот в ящике жив с вероятностью 50 процентов. С точки зрения квантовой механики, пока ящик закрыт, кот находится в суперпозиции двух состояний (то ли жив, то ли мертв; и жив, и мертв; ни жив ни мертв — как угодно). В тот момент, когда наблюдатель открывает ящик, он видит, жив кот или мертв.

Наконец, еще одно важное для нас явление — квантовая запутанность (entanglement), она же спутанность, сцепление, иногда связанность. О запутанности говорят, когда состояние двух (или более) квантовых систем должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если сами системы разнесены в пространстве. Соответственно, физические свойства каждой из систем связаны с физическими свойствами другой, при том что они могут находиться не рядом и ничем не соединяться.

Если две запутанные системы находятся в суперпозиции состояний, то, измерив состояние одной, можно узнать состояние другой. Например, можно запутать два атома, спин (определенная квантовая характеристика) одного из которых будет направлен вверх, а другого — вниз, причем мы не будем знать, у какого атома какой спин. Но измерив спин одного атома, мы тут же узнаем и спин другого, даже если они разнесены в пространстве. Недавно физикам удалось запутать атомы на расстоянии метра друг от друга.

Статья в тему:  Приложение "мой билайн". Приложение «Мой Билайн

Все эти и многие другие особенности микромира и позволяют построить квантовый компьютер.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров

Итак, если бит — это одна из двух условных точек (1 или 0), то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0. Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно.

Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное (плавающее) значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции.

Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений (нулей или единиц), то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений. А это намного больший объем информации.

Статья в тему:  Носитель для восстановления системы windows 8

Евгений Глушков

Студент шестого курса МФТИ, инженер лаборатории искусственных квантовых систем, создатель и редактор ресурса Make It Quantum.

До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.

Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM

Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.

Статья в тему:  Как почистить временные файлы. Как удалить временные файлы

Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.

Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.

Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.

Статья в тему:  Абстракции profile php mode. Способы заливки шелла

В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.

Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

Статья в тему:  Как сделать сброс ZTE до заводских настроек (Hard reset)

Первый российский кубит под электронным микроскопом

Квантовый процессор на девяти кубитах от Google

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.

Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.

Статья в тему:  Как узнать домашний регион. Услуга Билайн «Домашний регион

Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем

Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».

Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.

Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.

Статья в тему:  Почта net ua войти. Ukr net почта вход
Читайте «Хайтек» в

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.

Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.

Статья в тему:  Абстракции profile php mode. Способы заливки шелла

В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.

Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.

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.

Статья в тему:  Как почистить временные файлы. Как удалить временные файлы

Что означает формулировка «квантовое превосходство»?

Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.

В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.

Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».

Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.

Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.

Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

Статья в тему:  Как сделать сброс ZTE до заводских настроек (Hard reset)

Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?

Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.

Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.

Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.

Чем еще он может заниматься?

  • Базы данных и поиск по ним.

Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.

  • Приложения к криптографии.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

  • Исследования в области искусственного интеллекта.
Статья в тему:  Какая версия ios на iphone 6. Что такое iOS

Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.

  • Молекулярное моделирование.

Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств

А что в России?

Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.

Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.

Статья в тему:  Сравнение антивирусных программ. Антивирусы для Windows

В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.

В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.

Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.

Квантовый компьютер в России — миф или реальность?

А мы что же? А мы то же не за печкой родились. Вот нарыл фото первого российского Кубита под микроскопом. Тут правда он один.

Тоже выглядит как некая «петля», в которой происходит нечто для нас пока не познанное. Отрадно думать, если наши при поддержке государства разрабатывают свое. Так что отечественные разработки это уже не миф. Вот оно, наше будущее. Каким оно будет, посмотрим.

Квантовый компьютер хранит данные не в битах, а в так называемых кубитах. Каждый кубит может равняться не только 0 или 1, но также 0 и 1. Как такое может быть и что именно это означает?

Статья в тему:  Как узнать домашний регион. Услуга Билайн «Домашний регион

Давайте воспользуемся простым примером. Он может показаться немного искусственным, но все же поможет нам разобраться в принципах работы квантовых компьютеров.

Пример того, как действует квантовый компьютер

Предположим, что вы управляете туристическим агентством и вам необходимо переправить группу людей из одного места в другое. Для упрощения предположим, что она состоит всего из трех человек: Ани (А), Вани (В) и Сережи (С). Допустим, вы заказали два такси и хотите понять, как лучше разместить пассажиров. Кроме того, у вас есть данным о том, кто с кем дружит, а кто с кем враждует.

Предположим, что отношения в группе распределяются следующим образом:

  • Аня и Ваня — друзья;
  • Аня и Сережа — враги;
  • Ваня и Сережа — враги.

Предположим, что вам нужно распределить их таким образом по двум автомобилям, чтобы:

  • Максимизировать число друзей;
  • Минимизировать число врагов, попавших в одно и то же такси.

Итак, мы определили суть задачи. Теперь давайте подумаем, как ее решить с помощью обычного компьютера.

Решение задачи на обычном компьютере

Чтобы решить задачу на обычном, неквантовом компьютере, сначала надо определиться с тем, как хранить соответствующую информацию в битах. Давайте обозначим первое такси нулем, второе — единицей. Теперь порядок размещения можно представить с помощью трех битов. В этом случае значение 0,0,1 будет говорить о следующем:

  • Аня едет в такси 0;
  • Ваня также едет в такси 0;
  • Сережа едет в такси 1.

Поскольку для каждого пассажира есть два варианта, всего существует 2 * 2 * 2 = 8 способов разместить трех человек в двух машинах. Вот список всех возможных конфигураций:

Статья в тему:  Почта net ua войти. Ukr net почта вход

С помощью трех битов можно представить любую из этих комбинаций.

Вычисление оценки для каждой конфигурации

Как с помощью обычного компьютера определить наилучшее решение? Чтобы понять это, давайте посмотрим, как проводятся расчеты. Оценка должна отражать две упомянутые выше цели:

  • Максимизировать число пар друзей в автомобиле;
  • Минимизировать количество пар врагов;

Давайте определим оценку следующим образом:

(оценка некоторого размещения) = (количество дружественных пар в автомобиле) — (число враждебных пар в автомобиле)

Предположим, что Аня, Ваня и Сережа сели в такси 1. В битах это выглядит как 111. В данной ситуации имеется только одна пара друзей — Аня и Ваня, но две враждебных пары: Аня и Сережа, Ваня и Сережа. Таким образом, общий балл этой конфигурации равен 1 — 2 = -1

Решение задачи

Теперь можно перейти к окончательному решению задачи. Чтобы определить наилучшую конфигурацию с помощью обычного компьютера, придется просчитать все варианты и выбрать тот, у которого окажется наивысший балл. Другими словами, компьютер построит таблицу вроде этой:

Как видно, имеется два правильных решения — 001 и 110. Оба набрали наибольшее количество очков (1). Эта задача довольно проста. Ее сложность стремительно возрастает по мере увеличения числа людей. С тремя пассажирами существует восемь возможных конфигураций. С четырьмя их число возрастает до 2 * 2 * 2 * 2 = 16 конфигураций. В общем случае с N пассажирами существует (2 в степени N) возможных расстановок. Если у нас всего 100 человек, необходимо просчитать:

= 10³⁰ = один миллион миллионов миллионов миллионов миллионов конфигураций.

Обычному компьютеру это не под силу.

Решение задачи на квантовом компьютере

Как решить задачу на квантовом компьютере? Чтобы разобраться, давайте вернемся к базовому случаю размещения трех человек в двух такси. Как отмечалось ранее, существует 8 возможных конфигураций:

Статья в тему:  Носитель для восстановления системы windows 8

На обычном компьютере с помощью трех битов мы могли представить только одно решение за раз, например, 001. Однако на квантовом компьютере с помощью трех кубитов мы можем одновременно представить все восемь решений.

Пока нет единой точки зрения на данный феномен. Можно рассматривать его следующим образом.

Прежде всего давайте посмотрим на первый кубит из трех. Когда он одновременно принимает значение 0 и 1, это похоже на создание двух параллельных миров (да, звучит странно, но давайте пока воздержимся от полемики).

В одном из миров кубит равен 0, в другом он равен 1. Что произойдет, если второй кубит также одновременно установить на 0 и 1? В этом случае у нас появится четыре параллельных мира. В первом мире оба кубита установлены на 0 (00). Во втором они равны 01. В третьем — 01, в четвертом — 11.

Похожим образом, если установить все три кубита на 0 и 1, возникнут восемь параллельных миров: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111.

Аналогия немного странная, однако она помогает правильно интерпретировать поведение кубитов в реальном мире. Выполняя некие вычисления на кубитах, вы на самом деле одновременно проводите их на всех восьми параллельных мирах. Таким образом, вместо того, чтобы последовательно находить каждое решение, мы можем вычислить их все сразу.

В этом конкретном примере квантовый компьютер теоретически найдет одно из лучших решений за доли секунды (001 или 110):

На самом деле, чтобы вычислить эту задачу, необходимо задать квантовому два начальных условия:

  • Все потенциальные решения, представленные кубитами;
  • Функцию, которая каждому решению присваивает некую оценку. В данном случае она подсчитывает число дружеских и вражеских пар в автомобиле.
Статья в тему:  Сравнение антивирусных программ. Антивирусы для Windows

Используя эти данные, квантовый компьютер найдет одно из лучших решений за доли секунды. В нашем случае это будет 001 или 110 с баллом, равном единице.

Теоретически квантовый компьютер способен находить одно из лучших решений во время каждого запуска задачи. Однако в реальности во время его работы возникают ошибки. Вместо лучшего решения он может найти второе, третье лучшее решение и т. д.

Эти ошибки становятся более заметными по мере возрастания сложности. Таким образом, на практике расчет одной и той же задачи на квантовом компьютере проводится десятки или сотни раз. Затем выбирается наилучший результат.

Масштабирование квантового компьютера

Даже с учетом упомянутых выше ошибок у квантового компьютера отсутствуют проблемы с масштабируемостью, от которых страдают обычные компьютеры. Чтобы разместить трех человек в двух такси, достаточно провести одну операцию. Это связано с тем, что квантовый компьютер одновременно вычисляет оценку всех конфигураций.

В случае четырех человек число операций остается прежним — 1. То же самое справедливо для 100 человек. Одной операцией квантовый компьютер вычисляет все 2¹⁰⁰

= 10³⁰ возможных конфигураций.

Как упоминалось ранее, на практике квантовый компьютер лучше запускать несколько десятков или сотен раз и выбирать наилучший результат из полученных. Однако это все же гораздо быстрее, чем искать решение задачи на обычном компьютере, повторяя одну и ту же операцию миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Лучшее о финансах и технологиях, а также криптовалюты, эксклюзивы и немного лайфстайла.

Что останавливает торжество квантовых компьютеров?

— Конечно, было бы здорово, если бы удалось сделать компактный и дешевый универсальный квантовый процессор, для всякой задачи работающий не хуже классического и пригодный для помещения в смартфон. Но, увы, пока технологические затруднения слишком велики. Квантовость хрупка. Окружающий мир постоянно толкает наше квантовое состояние, и оно размывается.

Представьте, что вы пытаетесь удержать неподвижным маленький шарик в широкой миске, в то время как вас и миску в ваших руках постоянно и быстро толкают в разные стороны. Шарик остается в миске, расстояние от него до ваших глаз более-менее постоянно, но его положение все время меняется, он дрожит и в ваших глазах превращается в расплывчатое пятно.

На научном языке это называется «декогеренцией». Для большого числа кубитов подобный фазовый шум — настоящее бедствие, способное быстро убить все то, что дает преимущество квантовому компьютеру. Он загоняет квантовое состояние в классическое, губит суперпозицию. Нужно изолироваться, не дать окружающему миру толкать наши кубиты. Один из выходов — попросту заморозить окружающее до суперкосмического холода, как в «Ди-вэйв». Оттого и трехметровые габариты, и высокая цена — хотя сам процессор величиной с ноготь.

Но сейчас интенсивно разрабатываются и другие платформы для квантового процессора, например дефекты в нанокристаллах алмаза, которые способны сохранять когерентность при комнатной температуре.

В последние годы в гонку ввязались мировые технологические гиганты, а потому можно ожидать, что в ближайшие десятилетия мы увидим полноценный квантовый компьютер. Если не на своем столе в гостиной, то в университетской лаборатории уж точно.

Читайте также:

Статья в тему:  Приложение "мой билайн". Приложение «Мой Билайн

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector