Метрика

Квантовый компьютер

В новостях часто говорят о том, что кто-то смог разработать квантовый компьютер, и это изменит будущее вычислительной техники. Недавно известной компанией Google было заявлено, что ее устройство решит любую задачу в миллион раз быстрее простого ПК. Важно понимать, что квантовые компьютеры функционируют при учете законов квантовой механики, полностью отличаясь от бытовых ПК, функционирующих с кремниевыми чипами. Но вот что такое квантовый компьютер, как он работает – знают немногие. Давайте разбираться во всем вместе.

Что это такое

Квантовый компьютер – это инновационный вычислительный агрегат, где применяются законы квантовой механики. Операции проводятся кубитами, находящиеся в нестабильном положении одновременно занимая позиции 0 и 1. Теоретически предоставляет возможность обработки различных состояний одновременно, достигая большого превосходства перед бытовым ПК.

Принцип работы квантового компьютера

Действия с информацией осуществляются квантовой суперпозицией и запутанностью битов, а система – это устройство, где это все происходит. Подобные агрегаты оперируют кубитами, одновременно получая значения 0 и 1. Когда растет количество кубитов, то повышается численность значений в геометрической прогрессии. Если в системе есть несколько кубитов, то при изменении одного будут изменены и другие.

Благодаря этому предоставляется возможность одновременного просчета всех возможных вариантов. Простой процессор с бинарным вычислением действует последовательности. Для ускорения применяется многопоточность при запуске параллельных вычислений, предвыборки для предугадывания разных вариантов ответвления.

Таким образом, квантовый компьютер уже имеет нужное решение, остается его только найти при помощи кубитов.

Пример работы квантовых вычислений

Для большего понимания тонкости деятельности квантового компьютера можно взять за основу простой лабиринт. Чтобы решить данную задачу на бытовом ПК, потребуется проверить каждый вариант вручную. Однако, данное устройство помогает при помощи законов физики одновременно проверить различные варианты и получить нужное решение за несколько секунд.

Зачем это нужно

Благодаря описываемому агрегату можно разложить число на простые множители. Современная криптографическая отрасль основывается на отсутствии возможности быстрой раскладки числа в 30-40 знаков на числа. Простой ПК потребует огромное количество лет для выполнения данной задачи. А вот квантовый компьютер легко справится с этим за 18 секунд.

Таким образом будут отсутствовать тайны, а любой алгоритм легко взламывается. Это относится ко всем видам деятельности человека: от простого общения в мессенджере до денежных операций.

Кроме того подобные устройства предоставляют возможность смоделировать сложнейшие ситуации, находя нужное решение трудоемких проблем.

Какие задачи решает

Квантовому компьютеру не под силу заменить бытовой ПК, да это и не нужно Простой ПК может работать в режиме многозадачности, но при этом присутствуют проблемы, которые ему просто не под силу. А вот квантовое оборудование найдет решение буквально за час.

Симуляции квантовой системы

Это естественное использование квантового компьютера. Фейнманом была смоделирована весьма трудоемкая квантовая система с использованием не менее сложным другим алгоритмом. Благодаря применению полноценного квантового компьютера создаются новые препараты, проводники, сырье и прочее.

Задачи оптимизации

Сюда относятся комбинированные задачи, решающиеся путем перебора разных способов. Подобные проблемы часто встречаются в логистической, экономической и оптимизационной сфере.

Задачи с преобразованием Фурье

Сюда можно отнести проблемы криптографии и шифрования. А если говорить конкретнее, то алгоритм Шора, позволяющий взломать RSA и криптовалюту. Происходит за счет оперативного изменения алгоритма Фурье при нахождении правильного толчка для применения.

Квантовое обучение машин

Алгоритм HHL предоставляет возможность получения решения линейных уравнений в несколько раз быстрее простого алгоритма. Данная сфера использования самая качественная. По сути использование квантовых законов позволяет улучшить функциональность искусственного интеллекта в несколько раз.

Биты и кубиты

Бытовой ПК работает на битах со значением 0 или 1. В физическом понимании это реализуется следующим образом:

  1. Давайте представим, что транзистор является трубным краном: включаешь воду – она льется, выключаешь – останавливается.

  2. Вода – это электричество, соединенное каскадом по цепи.

  3. Транзисторы соединяются так, что при их включении/выключении производятся необходимые вычисления.

  4. За счет большого количества транзисторов, их работа достаточно быстрая, а следовательно, компьютеры могут оперативно вычислить последовательность действий.

  5. Все, что представлено на ПК – это все производные проведенных вычислений.

Если смотреть с компьютерной стороны, то транзистор – это бит, являющийся минимальной информационной единицей. Физически он может находиться в любом устройстве компьютера, но при этом имеет одну суть – наличие физического пространства, находящееся во включенном или выключенном состоянии.

В квантовом компьютере применяются кубиты – квантовые частички и весьма интересным поведением. Так, значение находится между 0 и 1. Это называется суперпозиция.

Создание кубитов и их сложность

Главная сложность квантового компьютера – это наличие декогеренции, то есть все кубиты зависимы от соседей. На них сказывается внешняя среда, что влечет за собой настоящую катастрофу. При этом у кубитов значение ограниченно, а следовательно, компьютер становится медленным и обычным.

Если говорить максимально просто, то для получения рабочего кубита берется один атом, максимально фиксируется, ограждается от стороннего излучения и связывается с другим атомом при помощи специализированной квантовой связи.

Чем больше количество взаимосвязанных кубитов, тем менее стабильная работа. Для достижения квантового отличия от простого ПК, требуется не меньше 49 кубитов. А это является системой с весьма неустойчивым поведением.

Все решения уже известны

Еще одной особенностью кубитов является зависимость значений от измерений. Таким образом, программисту не будут известны все показатели кубита до момента их измерения. А сам факт измерения также сказывается на показателях кубита.

Сложностью является то, что результат функциональности квантового компьютера заключается в правильности ответа с определенной долей вероятности. Кроме того, требуется постройка алгоритма таким образом, чтобы вероятность правильного ответа была приближена к единице.

С декогеренцией борются разными вариантами. Так, кто-то использует охлаждение почти до абсолютного нуля.

Именно за счет того, что кубит одновременно имеется в нескольких позициях, до его измерения компьютером перебираются различные варианты решения, что и соединяет частички между собой. Таким образом получается сразу известное решение после введения данных. Суперпозицией дается параллельность в вычислениях, ускоряя работу алгоритмов в несколько раз

Основные отличия от простого ПК

Появившаяся область квантовой физики и ее изобретения изначально мало признавались научным сообществом. Сегодня, компьютеры, работающие на квантовых вычислениях не просто существуют, а достаточно дорого реализуются, но при этом помогают получать решения огромного количества различных задач. Главным отличием является способность частиц находиться сразу в нескольких состояниях: 0 и 1.

Кроме того, от простого ПК он отличается тем, что кубит достаточно неопределенное значение, поэтому может иметь сразу несколько позиций. Квантовый компьютер невозможно использовать для решения повседневных задач, но при этом он легко решает математические проблемы, использующиеся в современной криптографической сфере.

Квантовый компьютер – уникальный агрегат с собственным поведением квантовой механики. Как было сказано ранее, данный агрегат серьезно отличается от классического ПК.

Проблемы квантовых компьютеров

В момент проектирования и внедрения в применение квантовых компьютеров перед специалистами появляется немало проблем. Решение не всегда удается найти. В соответствии с исследованиями, у квантовых компьютеров есть следующие проблемы:

  • большой уровень чувствительности при контакте с внешним миром;

  • трудности при начальном определении поведения кубита;

  • большое скопление ошибок;

  • трудности создания системы с большим количеством кубитов.

Архитектура процессора

В теории используются и оперируются схемами, в которых несколько десятков нестабильных кубитов. Однако, в реальности это достаточно сложно. Имеющиеся сегодня чипы могут безболезненно запутать только один кубит с соседями, которых не больше 6. Архитектура разная, поэтому чтобы на реальном процессоре запутать кубит 0 например с 15 соседями, требуется выполнить множество дополнительных операций. А чем больше операций, тем больше ошибок, и сильнее влияет декогерентность.

Ошибки

Квантовый компьютер имеет следующие ошибки:

  1. Ошибки декогеренциии за счет сложной системы и контакта с внешним миром.

  2. Гейтные ошибки при вычислениях.

  3. Ошибки при получении результатов.

Проблема может быть осложнена тем, что привычные методы для избавления от ошибок в квантовых компьютерах просто не будут работать, так как присутствует запрет клонирования Для корректирования ошибок используют специальные методики: берутся обычные кубиты и делается один логический кубит с небольшим уровнем ошибок.

Декогеренция

Состояние квантового механизма достаточно хрупкая вещь, а запутанные кубиты нестабильны. То есть при любом контакте с внешним миром система может разрушится. Даже изменение на небольшую долю градуса, повысилось давление или пролетающий фотон может дестабилизировать систему. Данное состояние требует быстрого определения поведения кубитов, осуществления вычислений и выдачу результата за 150 мкс. А если не успеть, то результат просто исчезнет. На сегодняшний день период декогеренции состоит из десяти и сотен микросекунд.

Чтобы решить проблему, применяют саркофаг с особенными характеристиками, где температура чуть больше абсолютного нуля.

Пути решения проблем

Чтобы решить вышеописанные трудности квантового компьютера, требуется:

  • внедрять криокамеры с небольшой температурой;

  • процессорные блоки должны быть по-максимуму защищены от влияния внешнего мира;

  • корректирование ошибок должно основываться на законах квантовой физики;

  • при программировании должны быть использованы оптимизаторы для каждого отдельного процессора.

Каждое из решений требует ответственного и грамотного подхода.

Какие существуют реализации квантового компьютера

Постройка квантового компьютера в реальности – это фундаментальная задача современной физики. По наблюдению на 2018 год квантовые компьютеры имели ограниченный функционал и могли решать только одну задачу. На практике должны быть проведены микроскопические действия, при этом физическая система должна быть точная и иметь непрерывную степень свободы.Таким образом, система достаточно большая, поэтому задача на данный момент не выполнима. Однако, ученые и инженеры всего мира стараются увеличить производительность квантового компьютера, предлагая принципиально новые решения.

Первый 51 кубитный квантовый компьютер

Группа российских и американских ученых, руководителем которых выступил профессор из Гарварда, смогла собрать квантовый компьютер с 51 кубитами. Сегодня данный аппарат считается самой сложной вычислительной системой. Благодаря ему представилась возможность решения задач по моделированию поведения связанных частиц.

Первый в мире протокол квантового интернета

Протокол интернета, основанного на квантовой механике, был создан учеными из Нидерландов. При его работе отсутствуют помехи, а защита от взлома максимальна. Создателями выступили инженеры компании QuTech. Работа протокола основывается на общем принципе сети. Как считают эксперты, это может стать отличной заменой традиционной Всемирной паутины и локальной сети.

Можно ли играть в игры на квантовом компьютере

А вот просто поиграть на квантовом компьютере не получится. Не стоит думать, что это такой же как домашний ПК, только больших размеров. Квантовые компьютеры – это огромные суперкомпьютеры, работающие по фундаментальной схеме. Подобные устройства нельзя назвать компьютерами в привычном понимании этого слова.

Можно ли майнить биткоины или другие криптовалюты на таком компьютере

Такое вполне реально, так как майнинг подразумевает применение высокотехнологичного оборудования с высокой скоростью вычисления. Благодаря квантовому аппарату можно получить отличный заработок криптовалюты с успешным исходом почти каждой торговой сделки.

Разработки компаний

Больше всех достижений у компании D-Wave. Она не просто создала, но и уже реализует единственные квантовые компьютеры. Сегодня продукцию покупают такие гиганты, как Гугл, Наса, Фольсваген и другие. Кроме того, компания не останавливается на достигнутом и разрабатывает новые коммерческие предложения.

О своем желании выпуска похожего квантового оборудования заявила и всемирно известная Google компания. Причем даже назвала сроки – 5 лет.

Успехи конкурентов начали подстегивать и еще одного не менее технологичного игрока – Microsoft. Сегодня эксперты компании уже ведут разработки собственного устройства.

Американская IBM делает все возможное для вывода на рынок улучшенных агрегатов, с 50 кубитной вычислительной мощностью. Планируется выпуск в ближайшие пару лет.

Заключение

Современные квантовые компьютеры далеки от идеала. Они достаточно сложны в изготовлении, при этом работа их не стабильна. Максимум, чего смогли добиться – это заточка квантового компьютера под конкретный алгоритм, что помогает получить немаленький выигрыш. Для этих целей и покупаются подобные устройства крупнейшими компаниями, чтобы решать самые важные задачи быстро и с пользой. На данный момент сложно предсказать развитие ситуации, поэтому возможность открытия функционального квантового компьютера ложиться на плечи профессиональных инновационных компаний.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector