Разбираем подробно, как работают квантовые компьютеры (чтобы можно было даже ребёнку объяснить), что такое кубиты, а также зачем в принципе нужен этот принципиально новый подход к вычислениям.
🕰️ История
🔹 В 1980 году советский и американский математик Юрий Манин высказал идею квантовых вычислений: «квантовое пространство состояний обладает гораздо большей емкостью, чем классическое: там, где в классике имеется N дискретных состояний, в квантовой теории, допускающей их суперпозицию, имеется cN планковских ячеек».
🔹 В 1980-е годы Ричард Фейнман предположил, что законы квантовой механики можно использовать для ускорения вычислений, потому что моделирование даже простейших физических систем на классическом компьютере требует невероятного объёма вычислительных ресурсов.
🔹 В 1989-1995 годах Дэвид Дойч предложил концепцию квантового процессора и квантовых логических вентилей.
⚙️ Как это работает?
💡 Кубит: единица хранения информации
Бит, который используется для работы с информацией в компьютере, имеет два состояния: 0 или 1. Пример его физического воплощения — выключатель света в комнате. В отличие от бита кубит, который используется квантовым компьютером, способен «застрять» в положении между ними — то есть находиться в суперпозиции. Он похож на аналоговый регулятор громкости, который можно крутить между минимумом и максимумом.
Вот только такой регулятор громкости должен иметь ещё одно свойство: как только ваш взгляд на него упадёт — или будет любое другое воздействие он должен «прыгнуть» к минимуму или максимуму, то есть превратиться в 0 или 1.
🖥️ Вычисления квантового компьютера
Квантовый компьютер использует оперирует не битами, а кубитами, поэтому он теоретически позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно.
Возьмём стандартный современный компьютер. У него есть n битов памяти, которые хранят состояние. А у квантового компьютера есть n кубитов, и каждый из них находится в суперпозиции всех базовых состояний.
Такая схема должна работать намного быстрее классической: если 3 кубита — это 8 битов, то 100 кубитов — число с 30 нулями, которое соответствует полупроводниковому компьютеру размером с Луну.
Но есть и минусы: ошибки, которые возникают в процессе вычислений и обмена информацией между кубитами и внешним миром.
Применение
🔶 Искусственный интеллект: поскольку квантовые компьютеры манипулируют большими объёмами данных, они могут за один проход моделировать нейронную сеть экспоненциального размера.
🔶 Химическая отрасль и создание лекарств: предполагается, что такие компьютеры смогут моделировать молекулярные взаимодействия и химические реакции.
🔶 Криптография: идеи квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии.
Достижения
✅ С 1999 года существует компания D-Wave, которая в 2007 начала продавать квантовую систему. Сейчас среди её клиентов – Google и NASA. Это не компьютер, а узкоспециализированная система, работающая быстрее любого суперкомпьютера стандартной архитектуры, но решающая только одну задачу.
✅ В 2001 году IBM протестировала 7-кубитный квантовый компьютер — самый большой на тот момент, а в 2005 группа Ю. Пашкина построила 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах.
✅ В 2017 группа физиков под руководством профессора Гарварда Михаила Лукина создала программируемый 51-кубитный квантовый компьютер на холодных атомах рубидия — один из самых мощных квантовых компьютеров. В том же году IBM построила кубитный квантовый компьютер, хотя не раскрыла подробностей.
✅ В 2018 Google построила квантовый процессор Bristlecone, в котором объединила 72 сверхпроводниковых кубита.
✅ В 2019 IBM создала универсальный коммерческий квантовый компьютер Q System One.
✅ В 2020 году квантовый компьютер Google Sycamore с 53 кубитами смоделировал химическую реакцию в молекуле, состоящей из атомов водорода и азота.
Учёные уже научились исправлять ошибки в процессе вычисления, И более того, даже коммерческие квантовые компьютеры уже существуют – Q System One от IBM имеет 20 кубитов. Но компания ставит себе амбициозную задачу сделать 1000-кубитную машину.
Подписывайтесь на телеграм-канал Дока Брауна, чтобы первыми читать узнавать о знаковых новостях венчурного рынка и новых технологиях.
