Как ты можешь получать больше и больше из меньшего и меньшего? Чем меньше компьютеры становятся, тем мощнее они кажутся: в мобильном телефоне 21-го века появляется больше возможностей для сокращения чисел, чем вы бы нашли в военном компьютере размером с комнату 50 лет назад. Тем не менее, несмотря на такие удивительные достижения, все ещё существует множество сложных проблем, которые недоступны даже самым мощным компьютерам в мире, и нет никаких гарантий, что мы когда-либо сможем их решить. Одна из проблем заключается в том, что базовые коммутационные и запоминающие устройства компьютеров, известные как «транзисторы», сейчас приближаются к точке, в которой они скоро станут такими же маленькими, как отдельные атомы. Если нам нужны компьютеры меньшего размера и более мощные, чем современные, нам скоро понадобится радикально изменить наши вычисления. Вхождение в царство атомов открывает новые мощные возможности в форме квантовых вычислений с процессорами, которые могут работать в миллионы раз быстрее, чем те, которые мы используем сегодня. Звучит удивительно, но проблема в том, что квантовые вычисления намного сложнее традиционных вычислений и работают в мире квантовой физики Алисы в стране чудес, где «классические», разумные, повседневные законы физики больше не применяются. Что такое квантовые вычисления и как они работают? Давайте внимательнее посмотрим!
Что такое обычные вычисления?
Вы, вероятно, думаете о компьютере как о аккуратном, маленьком гаджете, который сидит у вас на коленях и позволяет отправлять электронные письма, делать покупки в Интернете, общаться с друзьями или играть в игры, но это гораздо больше и меньше. Это больше, потому что это машина общего назначения: вы можете заставить ее делать практически все что угодно. Это меньше, потому что внутри это немного больше, чем очень простой калькулятор, следуя заранее подготовленному набору инструкций, называемых программой. Как и Wizard of Oz, удивительные вещи, которые вы видите перед собой, скрывают некоторые довольно обыденные вещи под обложками.
У обычных компьютеров есть два трюка, которые они действительно хорошо выполняют: они могут хранить числа в памяти и обрабатывать сохраненные числа с помощью простых математических операций, таких как: сложение и вычитание. Они могут делать более сложные вещи, объединяя простые операции в ряд, называемый «алгоритмом». Например: умножение может быть выполнено в виде последовательности сложений. Оба ключевых трюка компьютера - хранение и обработка. Выполняются с помощью переключателей, называемых «транзисторами», которые похожи на микроскопические версии выключателей у вас на стене для включения и выключения света. Транзистор может быть либо включен, либо выключен, так же как свет может гореть или не гореть. Если он включен, мы можем использовать транзистор для хранения номера один (1); если он выключен, он хранит число ноль (0). Длинные строки, состоящие из единиц и нулей, можно использовать для хранения любого числа, буквы или символа с использованием кода, основанного на двоичном коде. Поэтому компьютеры сохраняют заглавную букву «A» как «1000001», а строчную как «01100001». Каждый из нулей или единиц называется «двоичной цифрой» или «битом», и с помощью строки из восьми битов вы можете хранить 255 различных символов, таких как: A-Z, a-z, 0-9 и наиболее распространенные символы. Компьютеры рассчитывают, используя схемы, называемые «логическими элементами», которые сделаны из нескольких транзисторов, соединенных вместе. Логические элементы сравнивают образцы битов, хранящиеся во временных воспоминаниях, называемых «регистрами», и затем превращают их в новые образцы битов - и это компьютерный эквивалент того, что наш человеческий мозг назвал бы сложением, вычитанием или умножением. С физической точки зрения, алгоритм, который выполняет конкретное вычисление, принимает форму электронной схемы, состоящей из нескольких логических элементов, с выходом от одного затвора, который подается как вход для следующего.
Проблема обычных компьютеров состоит в том, что они зависят от обычных транзисторов. Это может показаться не проблемой, если учесть удивительный прогресс, достигнутый в электронике за последние несколько десятилетий. Когда был изобретен транзистор, в далеком 1947 году, замененный им выключатель (который назывался «вакуумной трубкой») был примерно таким же большим, как один из ваших больших пальцев. Теперь современный микропроцессор («однокристальный компьютер») упаковывает сотни миллионов и до 30 миллиардов транзисторов в кремниевую микросхему размером с ноготь! Подобные чипы, которые называются «интегральными схемами» невероятный подвиг миниатюризации. Еще в 1960-х годах соучредитель Intel Гордон Мур осознал, что мощность компьютеров удваивается примерно за 18 месяцев - и с тех пор так и происходит. Эта по-видимому непоколебимая тенденция известна как закон Мура.
"Это звучит потрясающе, и это так, но это не соответствует действительности. Чем больше информации вам нужно хранить, тем больше двоичных единиц, нулей и транзисторов - вам нужно сделать. Поскольку большинство обычных компьютеров могут одновременно выполнять только одну задачу, чем сложнее задача, которую вы хотите решить, тем больше шагов им нужно будет выполнить и тем дольше они должны будут это сделать. Некоторые вычислительные проблемы настолько сложны, что им требуется больше вычислительной мощности и времени, чем разумно может предоставить любая современная машина", - ученые-компьютерщики называют эти неразрешимые проблемы.
По мере продвижения «Закона Мура», количество неразрешимых проблем уменьшается: компьютеры становятся все более мощными, и мы можем делать с ними больше. Проблема в том, что транзисторы настолько малы, насколько мы можем их сделать. Мы приближаемся к тому моменту, когда законы физики, вероятно, положат конец «закону Мура». К сожалению, всё ещё существуют чрезвычайно сложные вычислительные проблемы. С которыми мы не можем справиться, потому что даже самые мощные компьютеры считают их неразрешимыми. Это одна из причин, почему люди сейчас интересуются квантовыми вычислениями
Что такое «квантовые вычисления»?
«Квантовая теория» - это раздел физики, который имеет дело с миром атомов и более мелких, субатомных частиц внутри них. Вы можете подумать, что атомы ведут себя так же, как и все остальное в мире, по-своему крошечным образом, но это неправда: в атомном масштабе меняются правила и «классические» законы физики, которые мы принимаем как должное в нашей повседневной жизни. Мир больше не применяется автоматически. Как однажды сказал один из величайших физиков 20-го века Ричард П. Фейнман: «В очень малом масштабе вещи ведут себя как ничто из того, о чем у вас есть прямой опыт ... или как что-то, что вы когда-либо видели». (Шесть легких пьес, стр. 116.)
Если вы изучали свет, Вы, возможно, уже немного знаете о квантовой теории. Возможно, Вы знаете, что луч света иногда ведет себя так, как будто он состоит из частиц, как устойчивый поток пушечных ядер, а иногда как волны энергии, пульсирующие в пространстве (немного похоже на волны в море). Это называется «дуальностью волны-частицы», и это одна из идей, которая приходит к нам из квантовой теории. Трудно понять, что что-то может быть двумя вещами одновременно - частицей и волной - потому что это совершенно чуждо нашему повседневному опыту: автомобиль - это не одновременно велосипед и автобус. В квантовой теории, однако, это может произойти сумасшедшая вещь. «Кошка Шредингера». Вкратце, в странном мире квантовой теории мы можем представить ситуацию, когда нечто подобное «кошке» может быть живым и мертвым одновременно.
Какое отношение все это имеет к компьютерам? Предположим, мы продолжаем продвигать «Закон Мура» - продолжаем уменьшать транзисторы до тех пор, пока они не достигнут точки, в которой они подчиняются не обычным законам физики, как транзисторы старого стиля, более причудливым законам квантовой механики. Вопрос в том: "Могут ли компьютеры, быть спроектированные таким образом, чтобы делать то, что не могут наши обычные компьютеры?" Если мы можем математически предсказать, что они могли бы, можем ли мы на самом деле заставить их так работать на практике?
Люди задавали эти вопросы в течение нескольких десятилетий. Среди первых были: физики-исследователи IBM Рольф Ландауэр и Чарльз Х. Беннетт. Ландауэр открыл двери для квантовых вычислений в 1960-х годах, когда он предположил, что информация - это физическая сущность, которой можно управлять в соответствии с законами физики. Одним из важных следствий этого является то, что компьютеры тратят энергию, манипулируя битами внутри них, отчасти поэтому компьютеры используют так много энергии и нагреваются, даже если кажется, что они делают совсем немного. В 1970-х годах, опираясь на работу Ландауэра, Беннетт показал, как компьютер может обойти эту проблему, работая «обратимо», подразумевая, что квантовый компьютер может выполнять чрезвычайно сложные вычисления без использования огромного количества энергии. В 1981 году физик Пол Бениофф из Аргоннской национальной лаборатории пытался представить базовую машину, которая работала бы так же, как обычный компьютер, но в соответствии с принципами квантовой физики. В следующем году Ричард Фейнман в общих чертах обрисовал, как машина, использующая «квантовые принципы», может выполнять базовые вычисления. Несколько лет спустя Дэвид Дойч из Оксфордского университета (один из ведущих специалистов в области квантовых вычислений) более подробно изложил теоретическую основу «квантового компьютера». Как эти великие ученые представили, что квантовые компьютеры могут работать?
Квант + вычисления = квантовые вычисления
Ключевые характеристики обычного компьютера - биты, регистры, логические элементы, алгоритмы и т. Д. - имеют аналогичные характеристики в квантовом компьютере. Вместо битов у квантового компьютера есть квантовые биты или кубиты , которые работают особенно интригующим образом. Там, где бит может хранить ноль или единицу, кубит может хранить ноль, единицу, ноль и единицу или бесконечное число значений между ними и находиться в нескольких состояниях (хранить несколько значений) одновременно ! Если это звучит странно, вспомните, что свет - это одновременно частица и волна, кот Шредингера - живой и мертвый, или автомобиль - велосипед и автобус. Более мягкий способ представить хранилище чисел-кубитов через физическую концепцию суперпозиции (где две волны добавляют, чтобы сделать третью, которая содержит оба оригинала). Если вы дуете на что-то вроде флейты, труба наполняется стоячей волной: волной, составленной из основной частоты (основная нота, которую вы играете) и множества обертонов или гармоник (высокочастотные кратные основной частоты) , Волна внутри трубы содержит все эти волны одновременно: они складываются вместе, чтобы создать объединенную волну, которая включает их все. Кубиты используют суперпозицию для одновременного представления нескольких состояний (нескольких числовых значений).
Как квантовый компьютер может хранить несколько чисел одновременно, так и обрабатывать их одновременно. Вместо того, чтобы работать в последовательном режиме (выполняя последовательность действий по очереди в последовательности), он может работать параллельно (выполняя несколько операций одновременно). Только когда вы пытаетесь выяснить, в каком состоянии оно находится в данный момент (измеряя его, другими словами), оно «падает» в одно из возможных состояний - и это дает вам ответ на вашу проблему. По оценкам, способность квантового компьютера работать параллельно сделает его в миллионы раз быстрее, чем любой обычный компьютер ... если бы мы только могли его построить! Так как бы мы это сделали?
Каким был бы квантовый компьютер в реальности?
В действительности, кубиты должны храниться атомами, ионами, (атомы со слишком большим или слишком малым количеством электронов) или даже более мелкими вещами, такими как: электроны и фотоны (энергетические пакеты). Так что квантовый компьютер будет почти как столешница. Версия экспериментов по физике элементарных частиц, которые они проводят в Fermilab или CERN. Теперь вы не будете гонять частицы вокруг гигантских петель и разбивать их вместе, но вам нужны механизмы для удержания атомов, ионов или субатомных частиц, для перевода их в определенные состояния, чтобы вы могли хранить информацию. Сбивания их в другие состояния, чтобы вы могли заставить их обрабатывать информацию и выяснять, в каком состоянии они находятся после выполнения определенных операций.
На практике существует множество возможных способов сдерживания атомов и изменения их состояний с использованием лазерных лучей , электромагнитных полей, радиоволн и множества других методов. Один из методов заключается в создании кубитов с использованием квантовых точек, представляющих собой наноскопически крошечные частицы полупроводников, внутри которых можно управлять отдельными носителями заряда, электронами и дырками (отсутствующими электронами). Другой метод делает кубиты из так называемых ионных ловушек, вы добавляете или убираете электроны из атома, чтобы получить ион, удерживаете его в каком-то лазерном свете, таким образом, он фиксируется на месте, как наноскопический кролик, танцующий в очень ярком свете, а затем переворачиваете его в различные состояния с помощью лазерных импульсов. В другом методе кубиты - это фотоны внутри оптических полостей (пространства между чрезвычайно маленькими зеркалами). Не беспокойся, если не понимаешь, не так много людей понимает. Поскольку вся область квантовых вычислений все еще в значительной степени абстрактна и теоретична, единственное, что нам действительно нужно знать, - это то,что кубиты хранятся в атомах или других частицах квантового масштаба, которые могут существовать в разных состояниях и переключаться между ними.
Что могут сделать квантовые компьютеры, чего не могут обычные компьютеры?
Хотя люди часто предполагают, что квантовые компьютеры должны автоматически быть лучше обычных, но это ни в коем случае не обязательно. Пока что почти единственное, что мы знаем наверняка, то что квантовый компьютер может работать лучше, чем обычный, это факторизация: поиск двух неизвестных простых чисел, которые при умножении вместе дают третье известное число. В 1994 году, работая в Bell Laboratories, математик Питер Шор продемонстрировал алгоритм, которым может следовать квантовый компьютер, чтобы найти «главные факторы» большого числа, что значительно ускорит проблему. «Алгоритм Шора» действительно вызвал интерес к квантовым вычислениям, потому что практически каждый современный компьютер и каждый защищенный веб- сайт онлайн-покупок и банковских операций использует открытый ключ. Технология шифрования основана на виртуальной невозможности быстрого поиска простых факторов, другими словами, это, по сути, «неразрешимая» проблема компьютера. Если бы квантовые компьютеры действительно могли быстро вычислять большие числа, сегодняшняя онлайн-безопасность могла бы устареть одним махом. Но происходит и то, что происходит, и некоторые исследователи считают, что квантовые технологии приведут к гораздо более сильным формам шифрования. В 2017 году китайские исследователи впервые продемонстрировали, как можно использовать квантовое шифрование для очень безопасного видеовызова из Пекина в Вену. Значит ли это, что квантовые компьютеры лучше обычных? Не совсем. Кроме «Алгоритма Шора» и метода поиска, называемого «Алгоритмом Гровера» , едва ли были найдены какие-либо другие алгоритмы, которые бы лучше выполнялись квантовыми методами. Учитывая достаточно времени и вычислительную мощность, обычные компьютеры по-прежнему должны быть в состоянии решить любую проблему, что квантовые компьютеры могут решить, в конце концов. Другими словами, еще предстоит доказать, что квантовые компьютеры, как правило, превосходят обычные, особенно с учетом трудностей их фактического создания. Кто знает, как обычные компьютеры могут развиваться в следующие 50 лет, потенциально делая идею квантовых компьютеров неактуальной и даже абсурдной.
Почему так сложно сделать квантовый компьютер?
Хотя люди часто предполагают, что квантовые компьютеры должны автоматически быть лучше обычных, но это ни в коем случае не обязательно. Пока что почти единственное, что мы знаем наверняка, то что квантовый компьютер может работать лучше, чем обычный, это факторизация: поиск двух неизвестных простых чисел, которые при умножении вместе дают третье известное число. В 1994 году, работая в Bell Laboratories, математик Питер Шор продемонстрировал алгоритм, которым может следовать квантовый компьютер, чтобы найти «главные факторы» большого числа, что значительно ускорит проблему. «Алгоритм Шора» действительно вызвал интерес к квантовым вычислениям, потому что практически каждый современный компьютер и каждый защищенный веб- сайт онлайн-покупок и банковских операций использует открытый ключ. Технология шифрования основана на виртуальной невозможности быстрого поиска простых факторов, другими словами, это, по сути, «неразрешимая» проблема компьютера. Если бы квантовые компьютеры действительно могли быстро вычислять большие числа, сегодняшняя онлайн-безопасность могла бы устареть одним махом. Но происходит и то, что происходит, и некоторые исследователи считают, что квантовые технологии приведут к гораздо более сильным формам шифрования. В 2017 году китайские исследователи впервые продемонстрировали, как можно использовать квантовое шифрование для очень безопасного видеовызова из Пекина в Вену. Значит ли это, что квантовые компьютеры лучше обычных? Не совсем. Кроме «Алгоритма Шора» и метода поиска, называемого «Алгоритмом Гровера» , едва ли были найдены какие-либо другие алгоритмы, которые бы лучше выполнялись квантовыми методами. Учитывая достаточно времени и вычислительную мощность, обычные компьютеры по-прежнему должны быть в состоянии решить любую проблему, что квантовые компьютеры могут решить, в конце концов. Другими словами, еще предстоит доказать, что квантовые компьютеры, как правило, превосходят обычные, особенно с учетом трудностей их фактического создания. Кто знает, как обычные компьютеры могут развиваться в следующие 50 лет, потенциально делая идею квантовых компьютеров неактуальной и даже абсурдной.
Как далеко находятся квантовые компьютеры?
Спустя три десятилетия после того, как они были впервые предложены, квантовые компьютеры остаются в значительной степени теоретическими. Несмотря на это, был достигнут некоторый обнадеживающий прогресс в реализации квантовой машины. В 2000 году произошли два впечатляющих прорыва. Во-первых, Исаак Чуанг (ныне профессор Массачусетского технологического института, но затем работал в исследовательском центре IBM в Алмадене) использовал пять атомов фтора для создания грубого квантового компьютера с пятью кубитами. В том же году исследователи из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе выяснили, как сделать семибитовую машину с каплей жидкости. Пять лет спустя исследователи из Университета Инсбрука добавили дополнительный кубит и создали первый «квантовый компьютер», который мог манипулировать кубитом (восемь кубитов).
Это были предварительные, но важные первые шаги. В течение следующих нескольких лет исследователи объявили о более амбициозных экспериментах, добавляя все большее число кубитов. К 2011 году новаторская канадская компания D-Wave Systems объявила в Nature, что она выпустила 128-битную машину. Объявление оказалось весьма спорным, и было много споров о том, действительно ли машины компании продемонстрировали квантовое поведение. Три года спустя Google объявил, что нанимает команду ученых (в том числе из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, физика Джона Мартиниса) для разработки собственных квантовых компьютеров на основе подхода D-Wave. В марте 2015 года команда Google объявила, что они были «на шаг ближе к квантовым вычислениям», разработав новый способ обнаружения и защиты кубитов от ошибок. В 2016 году Исаак Чуанг из Массачусетского технологического института и ученые из Университета Инсбрука представили пятибитовый квантовый компьютер с ионной ловушкой, который может рассчитывать коэффициенты. Однажды, уменьшенная версия этой машины может превратиться в давно обещанную, полноценную систему шифрования.
Нет сомнений, что это чрезвычайно важные достижения. и признаки растут все более обнадеживающими, что квантовая технология в конечном итоге приведет к компьютерной революции. В декабре 2017 года Microsoft представила полный набор инструментов для квантовой разработки , включая новый компьютерный язык «Q #», разработанный специально для квантовых приложений. В начале 2018 года компания D-wave объявила о планах развертывания квантовой мощности на платформе облачных вычислений . Несколько недель спустя Google объявил о «Bristlecone», квантовом процессоре, основанном на 72-кубовом массиве, который может однажды сформировать краеугольный камень квантового компьютера, который может решать реальные проблемы. В октябре 2019 года Google объявил он достиг другого рубежа: достижение «квантового превосходства» (точка, в которой квантовый компьютер может побить обычную машину при типичной вычислительной задаче), хотя не все были убеждены. IBM, например, оспаривала претензию.
Одно не подлежит сомнению, квантовые вычисления очень интересны! Несмотря на это, для всей области это первые дни, и большинство исследователей сходятся во мнении: «мы вряд ли увидим практические квантовые компьютеры в течение нескольких лет, а более вероятно, нескольких десятилетий». Вывод, сделанный влиятельным докладом Национальной академии наук, медицины и инженерии в декабре 2018 года, заключался в том, что: «еще слишком рано прогнозировать временные рамки для практического квантового компьютера» и что «многие технические проблемы еще предстоит решить. прежде чем мы достигнем этой вехи».
