Квантовые компьютеры не предназначены для проверки электронной почты, обновления статуса или выполнения стандартных программных и аппаратных задач. Вместо этого их функционирование основывается на квантовой механике.
Квантовые компьютеры работают с частицами, значительно меньшими атомов. В таких масштабах обычные законы физики не действуют. Именно в этом кроется удивительность – частицы могут двигаться в разные стороны или даже существовать одновременно. Такой подход позволяет компьютерам обладать вычислительной мощностью, превосходящей возможности современных компьютеров.
Рассмотрим, что известно о квантовых вычислениях на сегодняшний день. Предлагаем познакомиться с фактами о квантовых компьютерах, способных удивить.
1. Схема хранения информации
Современные компьютеры применяют двоичный формат для хранения данных — последовательности нулей и единиц. Каждое хранимое значение представлено в виде бита, который может изменяться по правилам булевой логики.
Квантовые компьютеры хранят данные в виде 0, 1 или квантовой суперпозиции двух состояний. Этот квантовый бит, также называемый кубитом, обладает большей гибкостью по сравнению с двоичной системой.
КубитыМогут быть реализованы частицы с двумя спиновыми состояниями: «вверх» и «вниз». Такая система эквивалентна системе со спином 1/2.
2. Пылающая скорость
Квантовый компьютер, существующий не только в 0 и 1, выполняет вычисления параллельно. В примере, если кубит находится в суперпозиции состояний 0 и 1, и выполнил вычисление с другим кубитом в аналогичной суперпозиции, то получится четыре результата: 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1.
Квантовый компьютер выведет указанный результат при достижении декогеренции, сохраняющейся до момента перехода из суперпозиции состояний в одно состояние. Такое свойство, как выполнение нескольких задач одновременно, известно как квантовый параллелизм.
3. Переопределение безопасности
Скорость квантового компьютера представляет собой серьёзную проблему в области шифрования и криптографии.
Современные системы финансовой безопасности мира построены на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые обычными компьютерами взломать невозможно за время существования Земли. Квантовый компьютер, однако, может рассчитывать числа в разумный период времени.
С другой стороны, квантовые компьютеры способны предоставить непробиваемый уровень безопасности. К примеру, они смогут защищать важные данные — онлайн-транзакции или почтовые ящики — более надежным шифрованием.
Для квантовых компьютеров создано множество алгоритмов, среди которых наибольшую известность получили алгоритм Гровера для поиска в неопорядоченных массивах данных и алгоритм Шора для разложения больших чисел на простые множители.
4. Энергоэффективность
Мощность, которую устройство расходует, очень важна для его работы. Большой группе процессоров нужны мощные блоки питания, чтобы поддерживать производительность. Самый быстрый суперкомпьютер мира Sunway TaihuLight (по состоянию на апрель 2017 года) использует 15,37 МВт электроэнергии.
Но это приобретает увлекательный характер с появлением квантовых компьютеров. Так как квантовое туннелирование, они уменьшат энергопотребление в 100-1000 раз.
5. Альтернативные реальности
Согласно квантовой физике, существует множество вселенных, где проблема может иметь много или бесконечное число решений. Например, вы читаете эту статью на MacBook. В другой вселенной вы, возможно, читаете ее на телефоне во время путешествия.
Квантовый компьютер способен обрабатывать «n» задач одновременно в «n» параллельных вселенных, достигая конечного результата. Если классический компьютер выполняет «N» вычислений за «N» секунд, квантовый может осуществить «N 2» вычислений за такое же время.
Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившем чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Это произошло благодаря способности компьютера изучать 200 миллионов возможных ходов в секунду. Если бы это была квантовая машина, то она могла бы рассчитать 1 триллион ходов за секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
В чем трудности создания квантовых компьютеров?
Квантовые компьютеры испытывают сложности с сохранением стабильности работы. Любая интерференция или вибрация нарушает колебания атомов, приводя к нежелательным результатам. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны, описываемые волновой функцией. Сложение этих волн приводит к странному поведению квантовых частиц, называемому декогеренцией.
7. Низкая температура
Для оптимальной производительности квантовые компьютеры требуют очень низкой температуры, обеспечивающей стабильное состояние атомов. Работа квантовых компьютеров основана на стабильности атомов, которую можно достичь только при температуре нуль Кельвин. В этом состоянии атомы остаются стабильными без выделения тепла.
В настоящий момент D-Wave 2000Q — самый совершенный квантовый компьютер. Сверхпроводящий его процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем межзвездное пространство).
8. Навыки решения проблем
Квантовые компьютеры способны выполнять классические программы, но для достижения эффективных результатов применяют алгоритмы с квантовыми особенностями, например, запутывание или суперпозицию.
Неразрешимые проблемы классов сохраняют свою актуальность и в квантовых вычислениях. Захватывающее в квантовых алгоритмах — возможность решения задач быстрее, чем классическими алгоритмами. За тридцать минут обычного времени работы компьютера.
Кроме того, квантовые компьютеры могут способствовать обнаружению дальних планет, повысить точность прогнозов погоды, ускорить выявление рака и разработку более действенных лекарств путем обработки данных. секвенирования ДНК.
9. ИИ начало игры
Искусственный интеллект находится в начале своего развития. Современный продвинутый робот способен войти в помещение, определить материал, форму и движущиеся объекты, но ему не хватает качеств, которые делают существ по-настоящему умными. Квантовые компьютеры значительно превосходят обычные в обработке информации – 300 бита позволят отобразить всю Вселенную.
Квантовые компьютеры способны в разы быстрее обучать машины, уменьшив время с десятков тысяч лет до нескольких секунд.
Измерить расстояние между двумя большими векторами размером 1 зеттабайт обычным компьютером с тактовой частотой ГГц займёт сотни тысяч лет. Квантовый компьютер с такой же тактовой частотой (при условии его будущей постройки) справится с этой задачей за секунду после запутанности векторов с вспомогательным кубитом.
10. Не все может быть сделано быстро
Квантовые компьютеры предлагают наиболее эффективный способ разрешения задачи, применяя фундаментальные математические принципы, используемые вашим обычным компьютером каждый день. К такому числу относятся основы арифметики, которые уже отточены до совершенства.
Добавить числа можно путем суммирования. В подобных ситуациях традиционные компьютеры обладают такой же производительностью, как и квантовые.
Последние прорывы в сфере квантового вычисления.
В 2015 году учёные из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент на кремнии. В том же году НАСА представило первый работающий квантовый компьютер D-Wave, стоимостью пятнадцать миллионов долларов.
В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда разработали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет представил вариант квантовой машины, основанный на электронных дырах. В ней используются электронные дыры в полупроводнике при низких температурах вместо манипулирования электронными спинами для работы, что делает её менее уязвимой к декогеренции.
Еще несколько интересных фактов и открытий
12Ричард Фейнман впервые упомянул квантовые вычисления в 1959 году во время своей знаменитой лекции «Внизу много места». В лекции рассматривалась возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.
13В 1984 году исследователи IBM Джиллис Брассард и Чарльз Беннетт разработали первый в мире протокол распространения квантовых ключей, BB84. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с применением клавиатуры.
14В феврале 2018 года физики открыли новую форму света с использованием трехфотонных связанных состояний в квантовой нелинейной среде, что может стать прорывом для квантовых вычислений.
15В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, возглавляемая Ассоциацией космических исследований университетов, а также NASA и Google, представила 72-битный процессор, получивший название Bristlecone.
16Реалистичная модель квантовых вычислений функционирует на основе квантовых алгоритмов, которые можно разделить по типу решаемых ими задач или используемым техникам/идеям. В настоящее время имеются алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных алгоритмах.
17В настоящий момент изучаются различные варианты реализации физической квантовой машины.
- Спиновая и пространственная квантовая точка
- Квантовый компьютер на алмазной основе
- Полость квантовая электродинамика
- Молекулярный магнит
18Пять компаний изготавливали квантовые чипы: Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).