Как работает квантовый компьютер

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Это прорыв в технологиях или очередной биткоин?

Сейчас много говорят о новых технологиях вычисления — в частности, то и дело звучат слова «квантовые вычисления», «квантовый интернет» и даже «квантовая криптография». Посмотрим, что это такое и нужно ли оно нам. Начнём с квантового компьютера.

Биты и кубиты

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.

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:

Все решения уже известны

Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.

Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.

Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.

Как делают кубиты и в чём сложность

Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.

Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.

Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.

Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.

С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.

Зачем нужны 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.

Это означает, что тайн больше не будет, потому что любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере. Возможно, наступит интересный момент, когда обычное шифрование перестанет работать, а квантовое шифрование ещё не изобретут.

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.

Сейчас квантовые компьютеры всего этого не умеют — они слишком сложные в производстве и очень нестабильные в работе. Максимум, что можно пока сделать, — заточить квантовый компьютер под единственный алгоритм, чтобы получить на нём колоссальный выигрыш в производительности. Как раз для этих целей их и закупают крупнейшие компании — чтобы быстрее решать одну-две самые важные для себя задачи.

Подписывайтесь на наш канал , чтобы квантовый мир не был для вас загадкой!

Как это работает? | Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Идея квантовых вычислений была независимо предложена Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов прошлого века. С тех пор была проделана колоссальная работа по созданию квантового компьютера. Однако полноценный универсальный квантовый компьютер все еще является гипотетическим устройством, возможность разработки которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. К настоящему моменту были созданы единичные экспериментальные системы с алгоритмом небольшой сложности. Как же работает квантовый компьютер — об этом в сегодняшнем выпуске!

Основное отличие квантового компьютера от классического заключается в представлении информации. В обычных компьютерах, работающих на основе транзисторов и кремниевых чипов, для обработки информации используется бинарный код. Бит, как известно, имеет два базовых состояния — ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. Что же касается квантового компьютера, то его работа основывается на принципе суперпозиции, а вместо битов используются квантовые биты, именуемые кубитами. У кубита также имеется два основных состояния: ноль и единица. Однако благодаря суперпозиции кубит может принимать значения, полученные путем их комбинирования, и находиться во всех этих состояниях одновременно. В этом заключается параллельность квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости перебирать все возможные варианты состояний системы. Кроме того, для описания точного состояния системы квантовому компьютеру не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, так как для расчета системы из 100 частиц достаточно лишь 100 кубитов, а не триллион триллионов бит.

Также стоит отметить, что изменение состояния определенного кубита в квантовом компьютере ведет к изменению состояния других частиц, что является еще одним отличием от обычного компьютера. И этим изменением можно управлять. Процесс работы квантового компьютера был предложен британским физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем в 1995 году, когда он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно его схеме, для начала берется набор кубитов и записываются их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение, которое и является результатом, выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки.

Квантовый компьютер

Увеличение вычислительной мощности техники – одна из главных задач ученых и инженеров. Квантовый компьютер способен ее решить. Разработками устройства занимаются Google, IBM, Intel и другие компании. Теоретически квантовый ПК будет работать в 100 млн раз быстрее обычного.

Что такое квантовый компьютер

Такое вычислительное устройство работает не с битами, а кубитами. Из-за этого квантовый ПК способен обрабатывать одновременно все возможные состояния объекта. Но на практике суперкомпьютеры выполняют такое же количество логических операций в минуту.

Преимущества

Главное достоинство новой технологии – квантовое превосходство. Это способность вычислительных устройств решать задачи, недоступные мощным суперкомпьютерам. Не все ученые поддерживают идею создания такого ПК. Главный аргумент против – невозможность проверки правильности полученного решения. При вычислениях устройство может совершить ошибку, перепутав 0 и 1, а выявить проблему не удастся.

В настоящий момент главная проблема на пути создания квантового превосходства – стабильность кубитов. Эти элементы требуют осторожного обращения: случайный шум или вибрация приводят к потере данных, которые удалось вычислить компьютеру. Для стабильной работы техники температура окружающей среды должна быть не больше 20 мК.

Как работает кубит

В стандартных компьютерах информация представлена двоичным кодом. Биты для хранения и обработки данных принимают значения 0 или 1. Транзисторы выполняют математические операции, а на экране возникает результат преобразования двоичного кода.

Кубит – единица хранения информации в квантовом компьютере. Кроме 0 и 1, он может находиться в неопределенном пограничном состоянии, называемом суперпозицией. Для получения кубита нужно взять один атом, зафиксировать и стабилизировать его, оградив от посторонних излучений, связать с другим атомом.

Чем больше таких элементов соединено между собой, тем стабильнее работает система. Чтобы превзойти классический суперкомпьютер, нужно связать более 49 кубитов. Сделать это очень сложно: атомы, независимо от используемых материалов, всегда нестабильны.

Квантовые вычисления

Теория гласит, что без взаимодействия с другими частицами электрон не имеет однозначных координат на атомной орбите. Только при измерении неопределенность исчезает, а местоположение частицы становится известным.

Суперпозиция и запутывание

Работа компьютера основана на двух механических явлениях:

1. Запутанность. Явление, при котором состояние двух и более объектов взаимозависимо. Например, у 2 фотонов в запутанном состоянии спиральность окажется отрицательной и положительной. Взаимосвязь сохранится, если убрать объекты друг от друга в пространстве.
2. Когерентная суперпозиция. Одновременное воздействие на частицу альтернативных (взаимоисключающих) состояний.

Декогеренция

Это процесс, при котором состояние квантовой системы становится неконтролируемым. Декогеренция возникает, когда много кубитов зависят друг от друга. Проблема появляется при взаимодействии компьютера с радиацией, космическими лучами или магнитным полем.

Для защиты компьютеров от «скатывания» к обычным вычислительным процессам применяют разные методы. Компания D-Wave Systems охлаждает атомы до нуля, чтобы защитить их от внешних воздействий. Квантовый процессор помещают в защитные оболочки, поэтому готовые устройства очень громоздкие.

Вероятность создания квантового ПК

Кубит не построить из нескольких частиц, а в нужном состоянии могут находиться только атомы. По умолчанию эти множественные частицы неурегулированные. Китайские и канадские ученые пытались использовать для разработки компьютера чипы на фотонах, но исследования не увенчались успехом.

Существующие типы квантовых ПК:

• в полупроводниковых кремниевых кристаллах;
• на электронах в полупроводниковых квантовых точках;
• в микрорезонаторах на одиночных атомах;
• на линейных оптических элементах;
• на ионах в одномерном кристалле в ловушке Пауля.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами, что вызывает изменения всей системы. Задача – выбрать из всех ее состояний правильное, дающее результат вычислений. Может быть сколь угодно много состояний, максимально приближенных к истинному.

Для полноценного квантового ПК нужны значительные достижения в физике. Программирование должно отличаться от существующего сейчас. Квантовые вычислительные устройства не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но ускорят решения тех, с которыми справляются.

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone корпорацией Google. Весной 2018 года компания опубликовала заявление про получение 72-кубитного процессора, но его принципы работы не проафишировала. Считается, что для достижения «квантового превосходства», когда ПК начинает превосходить обычный, потребуется 49 кубитов. Google добилась выполнения условия, но вероятность погрешности вычислений (0,6 %) осталась выше требуемого.

Где могут применяться квантовые компьютеры

Современная криптография базируется на том, что невозможно быстро разложить число на 40–50 знаков. У классических компьютеров на это уйдет 1–2 млрд лет. Квантовый ПК сделает эти математические вычисления за 25 секунд. Это значит, что любые алгоритмы шифрования можно будет мгновенно взломать.

Другие сферы применения квантовых вычислительных устройств:

• моделирование химических реакций;
• искусственный интеллект;
• разработка новых лекарств.

Современные квантовые ПК этого не умеют.

Видео

Нашли в тексте ошибку? Выделите её, нажмите Ctrl + Enter и мы всё исправим!

Источники:

http://zen.yandex.ru/media/id/5c7ce8b92248a400aff22085/5d2473444dd76c00ad1b6ad6

http://hi-news.ru/eto-interesno/kak-eto-rabotaet-kvantovyj-kompyuter.html

http://sovets.net/21494-kvantovyj-komputer.html