квантовый компьютер при какой температуре
Квантовые компьютеры смогут работать при комнатной температуре
Исследование, проведённое международной группой специалистов, приближает эпоху квантовых компьютеров, способных функционировать при комнатной температуре. Об этом сообщается в публикации Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».
Квантовые вычислительные системы оперируют квантовыми битами, или кубитами. Они могут одновременно принимать значение и логического ноля, и логической единицы. Поэтому с ростом количества использующихся кубитов число обрабатываемых одновременно значений увеличивается в геометрической прогрессии.
На сегодняшний день в существующих квантовых системах наиболее распространены кубиты на сверхпроводящих материалах или на одиночных атомах в оптических ловушках. Однако для работы таких комплексов требуются сверхнизкие температуры, что оборачивается колоссальными затратами на постоянное охлаждение.
Новое исследование открывает путь к кубитам, функционирующим в обычных условиях. В работе приняли участие российские специалисты из НИТУ «МИСиС», а также их коллеги из Швеции, Венгрии и США.
Учёные нашли способ создавать стабильные полупроводниковые кубиты из карбида кремния (SiC). Специалистам удалось выяснить, какая именно структурная особенность позволяет таким кубитам работать при комнатной температуре.
«Карбид кремния и ранее рассматривался как перспективный материал для создания кубитов, однако в ряде случаев такие кубиты сразу же «перегорали» при комнатной температуре. Задачей учёных было выяснить, при какой модификации материала работа была бы стабильной. Разработка открывает новые перспективы в создании квантового компьютера, который бы стабильно работал при комнатной температуре», — говорится в сообщении.
18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах
Квантовый компьютер имеет дело с частицей, намного меньшей, чем размер атома. В таком меньшем масштабе правила физики не имеют никакого смысла. Именно здесь начинают происходить захватывающие вещи. Частицы могут двигаться вперед и назад или даже существовать одновременно. Эти типы компьютеров могут увеличить вычислительную мощность сверх того, что достижимо на современных обычных компьютерах.
Давайте уточним, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время. Мы собрали некоторые интересные факты о квантовых компьютерах, которые определенно ошеломят вас.
1. Схема хранения информации
С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить данные в виде 0, 1 или квантовой суперпозиции двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как кубиты) обладает гораздо большей гибкостью по сравнению с двоичной системой.
2. Пылающая скорость
Квантовый компьютер покажет вышеуказанный результат, когда он находится в состоянии декогеренции, которое длится, пока он находится в суперпозиции состояний, пока он не упадет до одного состояния. Возможность одновременного выполнения нескольких задач называется квантовым параллелизмом.
3. Переопределение безопасности
Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени.
4. Энергоэффективность
Потребляемая мощность является критическим фактором для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному массиву процессоров требуется изрядное количество блоков питания для поддержания их производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире Sunway TaihuLight (по состоянию на апрель 2017 года) потребляет 15,37 МВт электроэнергии.
Однако, это становится захватывающим с квантовыми компьютерами. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они уменьшат энергопотребление в 100-1000 раз.
5. Альтернативные реальности
Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем Macbook. В другом вы, возможно, читаете это по мобильному телефону во время путешествия.
Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать конечного результата. Если традиционный компьютер делает «N» вычисления в «N» секунд, квантовый компьютер может выполнить «N 2» вычисления в то же время.
Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
6. Почему сложно построить квантовые компьютеры
7. Низкая температура
В настоящее время система D-Wave 2000Q является самым совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем межзвездное пространство).
8. Навыки решения проблем
Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы, однако для получения эффективных результатов они используют алгоритмы, которые кажутся изначально квантовыми, или используют некоторые особенности квантовых вычислений, такие как квантовое запутывание или квантовая суперпозиция.
Неразрешимые проблемы классов остаются неразрешимыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовый алгоритм увлекательным, так это то, что они смогут решать проблемы быстрее, чем классические алгоритмы. Они могут решить задачу коммивояжера за считанные секунды, что занимает 30 минут на обычных компьютерах.
Более того, квантовый компьютер может помочь обнаруживать далекие планеты, осуществлять точное прогнозирование погоды, раньше выявлять рак и разрабатывать более эффективные лекарства, анализируя данные секвенирования ДНК.
9. ИИ начало игры
Квантовые компьютеры смогут экспоненциально ускорить скорость машинного обучения, сократив время с сотен тысяч лет до нескольких секунд.
Для измерения расстояния между двумя большими векторами размером 1 зеттабайт обычному компьютеру с тактовой частотой ГГц потребуются сотни тысяч лет. В то время как квантовый компьютер с тактовой частотой ГГц (если он будет построен в будущем) займет всего лишь около секунды после того, как векторы запутаются с вспомогательным кубитом.
10. Не все может быть сделано быстро
Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения проблемы, они используют некоторые основные математические принципы, которые ваш персональный компьютер использует ежедневно. Это относится к базовой арифметике, которая уже хорошо оптимизирована.
Нет лучшего способа добавить набор чисел, чем просто сложить их. В таких случаях классические компьютеры столь же эффективны, как квантовые компьютеры.
11. Последние достижения в области квантовых вычислений
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент в кремнии в 2015 году. В том же году НАСА представило первый операционный квантовый компьютер, созданный D-Wave, стоимостью 15 миллионов долларов.
В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда успешно создали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет определил вариант квантовой машины на основе электронных дырок, которая использует электронные дыры (вместо того, чтобы манипулировать электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые гораздо менее уязвимы для декогеренции.
Еще несколько интересных фактов и открытий
12. Квантовые вычисления впервые были упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.
13. Первый в мире протокол распространения квантовых ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассард и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с использованием клавиатуры.
14. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, включающую трифотонные связанные состояния в квантовой нелинейной среде, которая могла бы привести к революции квантовых вычислений.
15. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-битный процессор под названием Bristlecone.
16. Реалистичная модель квантовых вычислений работает на квантовых алгоритмах, которые могут быть классифицированы по типу задачи, которую они решают, или технике/идеям, которые они используют. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.
Intel и QuTech создали квантовый компьютер, работающий при температурах выше одного кельвина
Компания Intel совместно со специалистами нидерландского научного-исследовательского института QuTech успешно продемонстрировали возможность использования спиновых кубитов (их состояние определяется спином атомных ядер) на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше одного кельвина.
Квантовые компьютеры способны превзойти свои классические аналоги во многих задачах. Однако для возможности практического применения квантовых вычислительных систем необходимо обладать возможностью контролировать миллионы кубитов, в которых содержится информация.
Современные конструкции квантовых систем ограничены общим размером, надёжностью (точностью) кубитных операций, а также невероятной сложностью и дороговизной электроники, необходимой для управления квантовыми вычислениями в больших масштабах.
Для возможности хранения информации кубиты должны охлаждаться до температуры близкой к абсолютному нулю (-273°C или 0 кельвинов). Тем не менее, возможность повышения температуры, при которой смогут работать кубиты, имеет решающее значение для масштабирования квантовых вычислений. Ранее было показано, что квантовый компьютер работает только в диапазоне температур милликельвинов, то есть не более чем на долю градуса выше абсолютного нуля.
Учёные и инженеры Intel вместе с нидерландскими коллегами из QuTech смогли впервые продемонстрировать возможность работы кубитов на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше 1 кельвина с сохранением высокого уровня надёжности и когерентности.
Время когерентности и надёжность однокубитной операции для двух кубитов (красный и синий) при температуре 1,1 кельвин
Более того, исследователи реализовали универсальную квантовую логику на основе двухкубитного процессора и продемонстрировали возможность её работы при температуре 1,1 кельвин с уровнем надёжности однокубитной операции в 99,3 % и временем когеренции 2 микросекунды. Ранее подобное было возможно только при температуре 40 милликельвинов.
Результат Intel и QuTech показывает, что квантовые вычисления обладают потенциалом масштабируемости, могут стать более простыми и, главное, более доступными.
Магнитное охлаждение для квантовых компьютеров: как это работает
Разработчики из университета Мюнхена довели до стадии промышленного производства проект постоянной магнитной системы охлаждения до абсолютного нуля. Такие системы снижают стоимость квантовых компьютеров. Покупка и эксплуатация высокопроизводительных систем для параллельных вычислений становятся дешевле. А значит, вырастет число их бизнес-пользователей.
Магнитное поле и абсолютный ноль
Именно такие условия требуются для эффективной работы квантовых компьютеров: чем ниже температура, тем более стабильно функционируют кубиты. По мере роста интереса к квантовым вычислениям со стороны компаний и правительств, по мере перехода технологий квантовой механики из стадии лабораторных исследований в коммерческие изделия, растет и спрос на решения для эффективного охлаждения таких систем.
Ранее для поддержания абсолютного нуля в квантовых компьютерах применялся чрезвычайно редкий и дорогой изотоп гелия-3. Сейчас применяются сжиженные инертные газы, что менее затратно, но все же дорого и сложно технически. Системы охлаждения до абсолютного нуля также широко востребованы в промышленности для работы сверхчувствительных сенсоров – за счет экстремально низких температур сводится к минимуму собственный «шум» таких датчиков, в результате чего чувствительность может возрастать в отдельных случаях на порядки.
Из лаборатории в производство
Сама идея использования магнитных систем для охлаждения до экстремально низких температур не нова, однако до сих пор все разработки в этой области обеспечивали лишь кратковременный режим работы. Ученым TUM впервые удалось создать решение для длительной эксплуатации и довести его до стадии коммерческого внедрения.
После получения стабильных результатов и создания опытной магнитной системы охлаждения авторы изобретения – Александр Регнат (Alexander Regnat), Ян Спаллек (Jan Spallek), Томек Шульц (Tomek Schulz) и профессор Кристиан Фляйдерер (Christian Pfleiderer) создали технологический стартап под названием kiutra GmbH, который занимается продажами технологии всем заинтересованным потребителям.
Александ Регнат, профессор Кристиан Файдерер, Ян Спаллек и Томек Шульц с системой охлаждения
Фото: W. Schürmann / TUM
«Мы являемся первым в мире коммерческим поставщиком системы охлаждения, которая способна обеспечить близкие к абсолютному нулю температуры с помощью магнитных технологий на постоянной основе. Ключевое преимущество технологии в том, что для этого нам не требуется дорогостоящий гелий-3. Все, что нам нужно – это электричество», — отметил Александр Регнат в релизе о запуске kiutra.
Как это работает
Технология охлаждения компании kiutra представляет собой сочетание простой или многоступенчатой системы магнитного охлаждения с системой предварительного охлаждения замкнутого цикла. Охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю, производится в полностью автоматическом режиме без применения криогенных устройств.
Магнитное охлаждение основано на магнитно-тепловом эффекте и работает следующим образом. В процессе намагничивания окружающей среды происходит выравнивание магнитных моментов и соответствующее выделение тепла. И напротив: в процессе размагничивания температура среды снижается.
Системы kiutra могут функционировать в двух различных режимах магнитного охлаждения.
Техника одноразового охлаждения
Первый режим – «одноразовое» адиабатическое размагничивающее охлаждение (Single-shot Adiabatic Demagnetization Refrigeration, ADR) — подразумевает единовременное охлаждение по циклу.
Адиабатическое размагничивающее охлаждение одного цикла
Источник: kiutra, 2019
В стартовой фазе охлаждающая среда (хладагент), предварительно охлажденная до базовой температуры криогенным охладителем замкнутого цикла (от 300К до 4К), подвергается намагничиванию, при этом выделяемое в процессе намагничивания тепло рассеивается крио-охладителем.
Далее с помощью специального «теплового переключателя» производится термическая «развязка» охлаждающей среды, после чего она размагничивается с соответствующим падением ее температуры (до >1К).
Система адиабатического размагничивающего охлаждения одного цикла
Источник: kiutra, 2019
По достижении заданной температуры охлаждения уровень магнитного поля снижается, и система может обеспечивать регулируемое охлаждение с постоянной заданной температурой в течение достаточно продолжительного времени – нескольких часов или даже суток. При снижении уровня магнитного поля до нуля охлаждение завершается, и далее может быть запущен следующий цикл намагничивания и охлаждения.
Многоступенчатое постоянное охлаждение
Второй режим – Continuous ADR — обеспечивает постоянное охлаждение на протяжении продолжительного времени. Именно этот режим применим для охлаждения квантовых компьютеров.
Источник: kiutra, 2019
Для этого режима kiutra предлагает многоступенчатые магнитные системы без криогенных охладителей. Инженерная хитрость в таких системах заключается в том, что охлаждение обеспечивается каскадом из нескольких магнитных холодильных агрегатов, взаимосвязанных и тщательно сбалансированных.
В процессе работы многоступенчатой системы тепло намагниченности, выделяемое в охлаждающем блоке n, рассеивается блоком (n-1), и так далее по цепочке (от 300 K до 500 мK). Таким образом, конечная охлаждающая ступень никогда не выходит из-под воздействия магнитного поля, и, соответственно, может обеспечивать температуры около абсолютного нуля непрерывно на протяжении теоретически бесконечного времени.
В любом случае, все системы компании обеспечивают высокую температурную точность и стабильность за счет механизма прямого контроля температуры. Даже в многоступенчатом исполнении такие системы занимают минимум пространства и обладают минимальными требованиями к инфраструктуре.
Магнитные системы охлаждения kiutra доступны как в одиночном исполнении для периодического охлаждения, так и в многоступенчатом исполнении для непрерывного охлаждения. При необходимости можно модернизировать одиночную систему в многоступенчатую.
Квантовые вычисления в мире
В отличие от привычных компьютеров, которые оперируют битами с «нулями» и «единицами», квантовые вычислительные системы работают с кубитами, где к состояниям «1» и «0» добавляются их суперпозиции. Изменение одного кубита всегда влияет на состояние связанных с ним «соседей» — ученые называют этот эффект состоянием квантовой запутанности. Уникальность технологии обеспечивает невероятно высокую производительность и скорость квантовых вычислений.
Квантовые вычисления находят практическое применение во многих областях, где востребована высокая вычислительная скорость, но наиболее важным стратегическим направлением считается квантовая криптография, которая, к примеру, позволяет обеспечить связь без малейшего риска подслушивания или гарантировать кибербезопасность для интернета вещей.
Частный бизнес тоже участвует в гонке. Активное участие в развитии квантовых технологий принимает Microsoft. Компания, в частности, разрабатывает проект по предоставлению квантовых вычислений как сервиса. Больших успехов в квантовых технологиях добилась IBM, которая еще в 2017 году первой представила квантовый компьютер мощностью 50 кубит.
Квантовые компьютеры в России
В России ключевым центром развития квантовых технологий является «Квантовый консорциум», созданный в феврале 2018 года на базе структурного подразделения МГУ — Центра квантовых технологий на физическом факультете. Консорциум, в который входят Внешэкономбанк, ФПИ, «ВЭБ-инновации», МГУ и АНО «Цифровая экономика», «Криптософт», «Инфотекс», СПбГУ, Росатом и другие российские компании и подразделения РАН, реализует программу развития отрасли по трем основным направлениям – квантовая криптография, квантовые вычисления и квантовое моделирование. В 2018 году участниками консорциума в ходе Российского инвестиционного форума подписано соглашение о создании российского оптического квантового симулятора производительностью не менее 50 кубитов. Сейчас на работу «Квантового консорциума» ежегодно выделяется 350-450 млн рублей как в виде субсидий, так и за счет частного финансирования. Ожидается, что участие частного капитала в проекте достигнет 88% уже к 2021 году.
Еще один крупнейший игрок российского рынка квантовых вычислений — «Российский квантовый центр». За время своей работы с 2011 года центр получил более 1,5 млрд рублей инвестиций. Ключевой разработкой центра является технология защищенной связи между банковскими офисами с квантовой защитой. Недавно центр совместно с Газпромбанком, Сбербанком и PwC продемонстрировал первую межкорпоративную квантовую сеть. Кроме того, в центре также разработана уникальная система квантовой криптографии для электромобилей. Еще в 2017 году центр сообщил об успешной разработке первой в мире технологии квантового блокчейна.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!
При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?
Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!
Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (10 в 15 степени = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!
Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.
И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?
Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!
Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс.
Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов? Нетрудно понять что таких вариантов 8, то есть это 2*2*2 или 2 в третьей степени.
Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Мгновенно! Задачка-то элементарная.
А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера.
А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов?
Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1.27 x 1030 или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 вариантов.
Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.6*10^+35 (4.6 на 10 в 35 степени) лет. А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарная жизнь сотен вселенных.
Суммарная жизнь нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.
Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда!
И что же? Все? Выхода нет?
Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды!
И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Квантовый компьютер внутри
Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!
Принцип работы квантового компьютера
Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:
Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:
1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
Квантовые компьютеры сегодня
Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. Октябрь 2019
В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!
Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.
Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.
Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?
Естественно, не для распихивания людей по автобусам.
Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы?
Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений.
Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен!
Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.
Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Сложно? Ну не так уж!
А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.
Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема…
Вывод
Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает.
Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры!
И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор. Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой!