Немного о квантовых компьютерах и о том, изменят ли они нашу жизнь

Многие из нас слышали о квантовом компьютер, но что он собой представляет, а главное какие задачи с помощью него можно решать, известно далеко не всем. Квантовый компьютер уже несколько лет активно изучают лучшие умы мира; он даже появлялся на обложке журнала Time, с подписью: «Он обещает решить некоторые самые сложные проблемы человечества, при этом никто не знает, как он в действительности работает».



Сейчас компьютеры исследуют многие ученые и крупные компании, такие как Google, IBM, Microsoft и другие. По их словам, если такой компьютер все же удастся создать, то это будет настоящий прорыв, сравнимый с открытием классических компьютеров.

Квантовый компьютер и непреодолимые трудности


Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века, и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности. Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.

В начале века выяснилось, что использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои границы, и все они практически были достигнуты. Сейчас же перед человечеством встают все новые и новые задачи, для решения которых классических компьютеров будет недостаточно. Самый простой пример такой задачи — это разложение больших чисел на множители. Для этой цели было построено большинство криптографических систем. Это покажется банальным но, если бы кому-то удалось быстро разложить большое число на простые множители, то для него стали доступны транзакции во всех банках мира.

Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться — это моделирование квантовых систем и молекул ДНК. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание квантовых компьютеров — весьма перспективное решение, которое позволит решить эти и многие другие проблемы.

Принцип работы квантового компьютера




Классический компьютер работает на основе транзисторов и кремниевых чипов, которые используют для обработки информации бинарный код, состоящий из нулей и единиц. Бит, как минимальная единица информации имеет два базовых состояния: 1 и 0. Изменения этих состояний можно легко контролировать: объекты могут либо находиться в конкретном месте, либо — не находится. Именно поэтому многие физические объекты внешнего мира можно перенести в виртуальный с помощью сложных комбинаций битов. Работа же квантового компьютера будет основываться на принципе суперпозиции, а вместо битов будут использоваться кубиты (квантовые биты), которые одновременно могут находиться во всевозможных состояниях (в 1 и 0 одновременно). По словам ученных, за счет этого квантовые компьютеры для определенных классов задач будут в миллионы раз мощнее нынешних. Сейчас уже описаны десятки всевозможных алгоритмов работы квантового компьютера, даже разрабатываются особые языки программирования.

По большому счету, мир использует квантовые технологии уже давно. Лазеры, томографы и сверхчувствительные микроскопы базируются на массовых эффектах, создаваемых большими группами квантовых частиц или волн, которые подчиняются законам квантовой механики. Основная же задача состоит в использовании этих эффектов для отдельных частиц, а не групп в целом.

Для чего нужен квантовый компьютер?




Пока ученные трудятся над созданием квантового компьютера, они одновременно ищут ему применение. Главным остается тот факт, что такой компьютер сможет моментально совершать вычисления и работать с большим объемом данных.

С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения. Например, у людей появится возможность диагностировать рак на более ранних стадиях, или делать более сложные автопилоты. Как упоминалось ранее, с помощью квантового компьютера будет возможно быстро раскладывать большие числа на множители и моделировать молекулы ДНК. Также существует теория того, что квантовый компьютер будет справляться с задачами, которые обычный компьютер решить не в состоянии или потратит на это тысячи лет вычислений. Это, допустим, создание искусственного интеллекта или поиск разумных существ во Вселенной, кроме человека. В любом случае все ученные сходятся на том, что это создание такого компьютера будет настоящим прорывом, возможно, главным в истории человечества.

Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров




Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например: космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.

Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.

Насколько человечество близко к созданию квантовых компьютеров?




Дать ответ на этот вопрос сейчас очень сложно — практически невозможно. Новости о прорывах в этой сфере появляются регулярно, но нельзя сказать, что они глобальные. В создании квантовых компьютеров заинтересованы все: начиная военными и заканчивая технологическими компаниями. Компания D-Wawe, с которой активно сотрудничает Google и NASA, заявляет, что создала процессор с 84 кубитами, но критики, проанализировавшие его сообщили, что он работает как классический. IBM несколько лет назад объявили, что создали чип с тремя кубитами, а Microsoft основательно занимается разработкой квантовых компьютеров еще с 2007 года.

По прогнозу исследователей из компании Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия, и будут по мощности сравним с человеческим мозгом. В любом случае проблема разработки новых совершенных компьютеров будет актуальна до тех пор, пока человечество не научится исправлять квантовые ошибки второго уровня. Если это когда-то случится, то до создания рабочего квантового компьютера останется лишь несколько лет.
ua-hosting.company 182,27
Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
Поделиться публикацией
Похожие публикации
Комментарии 22
  • +2
    Очень крутая статья, честно, после нее даже вопрос не остается, спасибо большое.
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
      • 0
        забыл поставить тег «сарказм»
      • +5
        Мне осталось многое непонятно. Из википедии известно, что квантовый компьюетр работает над кубитами аналогично тому, как классический компьютер работает над обычными битами, выполняя над набором кубитов унарные операции, которые изменяют их состояние. Прирост производительности «в некоторых задачах» связан с тем, что кубит, в отличие от бита, хранит «как бы все промежуточные состояния между 0 и 1», соответственно выполняя над кубитом набор преобразований, как бы, эти изменения делаются для всех 2^n возможных состояний исходных битов, за счет чего и появляется предполагаемое «ускорение» (не взаваясь в детали того, что квантовый компьютер дает приближенный ответ, векроятность которого можно увеличивать… увеличивая число операций, т.е. напрактике не будет он в 2^n раз быстрее).

        Исходя из этого еще как-то понятно как взламывать шифры (берется такое число кубитов, какова длина ключа в шифре и над ними выполняются те же операции шифрования, но они при этом «как бы» выполняются над всеми возможными 2^n значениями ключа, т.е. мы его за счет этого можем подобрать), но мне совершенно не понятно как поможет квантовый компьютер моделировать ДНК? Особенно имея небольшой размер памяти (пока речь идет о десятках или сотнях кубит в квантовых компьютерах), каждое основание будет предствалено кубитом? Так их в ДНК 3 миллиарда пар… Да и «моделирование» ДНК не предполагает «перебор всех вариантов» (в чем собственно квантовые компьютеры получается сильны).

        Не совсем понятно вообще ускорение для не переборных задач? При этом ускорение квантового компьютера для переборных задач сравнивается с полным перебором на классическом компьютере или всетаки с оптимальными алгоритмами решения тех же задач? Если с оптимальными, то откуда такое фантастическое ожидаемое ускорение?

        Компания D-Wawe заявляет, что создала процессор с 84 кубитами, но критики, проанализировавшие его сообщили, что он работает как классический.

        Как вообще возможно что квантовый компьютер с 84 кубитами оказалось возможным «подделать»? Классический компьютер не может произвести перебор 2^84 вариантов, если этот компьютер может, по каким образом он работает «как классический»?

        • +2
          У вас во многом ложные представления о квантовых вычисления. Рекомендую почитать литературу, приближенную к реальной науке, а не эти, разбавленные водой и красивыми картинками, статьи.

          Если кратко, ускорение появляется от того, что квантовый компьютер способен моделировать эволюцию квантовой частицы так же хорошо, как классический компьютер – эволюцию классической. А биологические модели (ДНК в частности) это огромный набор именно квантовых частиц. Разумеется, современные «квантовые компьютеры» пока даже близко пока не приблизились к такому уровню, чтобы смоделировать что-нибудь серьёзное.

          Про D-Wave (который, кстати, уже 512-кубитный): насколько я помню, там реализован неполный набор квантовых гейтов (унитарных преобразований). То есть произвольный квантовый алгоритм на нем реализовать нельзя. В статье по ссылке же, говорится, что на каких-то тестах у D-Wave был выигрыш у обычного процессора, на каких-то нет, что, вообще, достаточно логично. То, что он «работает как классический» – очевидный бред.

          А вообще, имхо, квантовая криптография – намного более перспективное приложение квантовой информатики, чем вычисления.
          • 0
            > биологические модели (ДНК в частности) это огромный набор именно квантовых частиц
            А в чем это выражается? Почему именно в ДНК вы называете атом «квантовой частицей» а, скажем, в неорганических веществах — нет?
            • –1
              Атом – неквантовая частица. Вот электроны в эти атомах – да. И электроны в неорганике точно такие же, квантовые :) Просто исследованием ДНК занимается целая наука, а полное моделирование неорганики – менее актуальная задача.
            • 0
              А вообще, имхо, квантовая криптография – намного более перспективное приложение квантовой информатики, чем вычисления.

              Ну, когда я думаю, о тех материалах и препаратах, которые можно будет просчитывать на кк мне трудно согласится, что квантовая криптография самое в нем лучшее. Кстати, если речь идет о шифровании, то это уже более менее доступно. Квантовый компьютер тут вроде не нужен
              • 0
                >А биологические модели (ДНК в частности) это огромный набор именно квантовых частиц

                В ДНК недетские механизмы контроля целостности, соответствующие макроуровневым идеям, а не микроуровневым.
            • +1
              Недавно вышла книжка, она писалась как раз для ввода людей в эту тему, возможно самое простое объяснение (на русском языке очень мало источников по этой теме), рекомендую boomstarter.ru/projects/93363/kvantovye_vychisleniya_i_funktsionalnoe_programmirovanie может будет интересна (Ответил не в ту ветку, это был ответ для mattheus)
              • +2
                Источников достаточно, было бы желание. Как минимум фундаментальные книги: Нильсен/Чанг и Прескилл.

                Есть еще материалы кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики ВМК МГУ. Если порыться в гугле, я думаю, можно найти и материалы специализированных кафедр МФТИ, физфака МГУ и других вузов.
              • +2
                квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности

                а полностью ли?
                • 0
                  Проблема в искривлении пространства-времени и принципе неопределенности. Если мы знаем, что частица локализована в определенном месте, неопределенность импульса увеличивается вместе с его максимальным возможным значением. С ростом импульса растет так называемый тензор энергии-импульса (считай, гравитационный заряд), а вместе с ним, как говорит ОТО, пространство-время сильнее искривляется, становится «меньше», а это значит бОльшую локализацию и по кругу. Со второй парой (энергия-время) запутаннее, но принцип тот же.
                  • 0
                    Но это же не накладывает полное противоречие двух моделей, не так ли?
                    • 0
                      Основные положения 2-х теорий не дружат. Что тогда это, если не противоречие моделей? А говорить о противоречии полном или частичном не имеет смысла, так же как, например, рассмотрение только куска теории.
                      • 0
                        В таком случае словосочетание «полностью противоречит» из статьи не имеет смысла. Хотя всё же остаются некоторые сомнения.
                • 0
                  «Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться — это моделирование квантовых систем и молекул ДНК.»
                  Насчет квантоых систем я тут спорить не стану, но вот насчет моделирования молекул ДНК это вы погорячились. Время и вычислительная мощность, единственное ограничение.
                  • 0
                    Ну так и в случае квантовых систем то же самое. Просчитать даже самую простую моллекулу очень много ресурсов требует. А ДНК это очень большая моллекула.
                    • 0
                      Моллекулирую вас:
                      1. Генетика и молекулярная динамика ДНК — абсолютно разные вещи, последняя и процента от всех исследований ДНК не занимает.
                      2. Генетика и все смежные дисциплины оперируют с наследственной информацией в ДНК, а не с биохимической. А именно, работают с последовательностями /[AGTC]+/, иногда с модифицированными основаниями. Квантовать в генетике нечего и незачем, если только вы не шизофреник с идеями про волновой геном.
                      3. ДНК несёт наследственную информацию, которая по определению должна быть инертной, и по жизни является таковой большую часть времени. Считать там в принципе особенно нечего.
                      4. ДНК — не просто большая молекула, это полимер. Когда есть что считать (моделирование мутаций, взаимодействие с белками), достаточно считать участок в десяток-сотню нуклеотидов, а дальше всё успешно аппроксимируется простыми моделями.

                      Белки вот есть смысл моделировать целиком и это действительно большие и активно взаимодействующие (в первую очередь сами с собой) полимерные молекулы (и квантовые системы соответственно).
                  • +2
                    "… поиск разумных существ во Вселенной, кроме человека."
                    Вот с этого момента поподробнее, какие такие алгоритмы и в каких случаях?
                    • –1
                      А что известно про алгоритмы SETI@home?
                      • +1
                        Что они не квантовые?

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое