Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, работающее на принципах квантовой механики, которое по праву можно назвать самым сложным разделом физики. В начале нашего века оказалось, что использование электрических схем для создания компьютерных устройств имеет свои пределы, и все они практически достигнуты. Теперь перед человечеством стоят новые задачи, для которых классических компьютеров недостаточно.
Классический компьютер основан на транзисторах и кремниевых чипах, которые используют двоичный код, состоящий из нулей и единиц, для обработки информации. Скорее, как наименьшая единица информации, она имеет два основных состояния: 1 и 0. Изменениями в этих состояниях можно легко управлять: объекты могут находиться в определенном месте или нет. Вот почему многие физические объекты из внешнего мира могут быть переданы в виртуальные, используя сложные битовые комбинации. Для стандартного компьютера это цифровой строго определенный принцип, основанный на том факте, что если мы установим некоторое начальное состояние системы и передадим его по заданному алгоритму, результат вычислений будет одинаковым независимо от того, сколько раз мы запускаем этот расчет. На самом деле, это поведение именно то, что мы ожидаем от компьютера.
Работа квантового компьютера основана на принципе суперпозиции, и вместо битов используются кубиты (квантовые биты), которые могут быть одновременно во всех типах состояний (в 1 и 0 одновременно). Это параллелизм квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости сортировать все возможные варианты состояний системы. Чтобы описать точное состояние системы, квантовый компьютер не требует большого количества вычислительной мощности и большой рабочей памяти, поскольку для вычисления системы из 100 частиц достаточно только 100 кубитов и триллионов битов. По мнению ученых, благодаря этому квантовые компьютеры для определенных классов задач должны быть в миллионы раз мощнее современных. Квантовый компьютер работает по аналоговому, вероятностному принципу. Результатом данного алгоритма в данном начальном состоянии является выборка распределения вероятностей окончательных реализаций алгоритма плюс возможные ошибки.
С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать многочисленные процессы: от медицины до машиностроения. Например, у людей будет возможность диагностировать рак на более ранней стадии или делать более сложные автопилоты. Как уже упоминалось ранее, используя квантовый компьютер, можно будет быстро разложить большое число и смоделировать молекулы ДНК. Существует также теория, что квантовый компьютер будет сталкиваться с задачами, которые обычный компьютер не может решить или тратит на это тысячи лет.
Основная проблема в квантовых компьютерах это ошибки, их можно разделить на два основных уровня. Ошибки первого уровня являются неотъемлемым элементом всех компьютеров, включая классические. Такие ошибки включают в себя вынужденное изменение кубитов из-за внешнего шума (например, космических лучей или излучения). Эта проблема была недавно решена специалистами Google. Чтобы решить эту проблему, команда ученых во главе с Джулианом Келли создала специальную квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Оставшиеся кубиты несут ответственность за информационную безопасность, сохраняя их дольше, чем при использовании одного кубита.
Вторая более серьезная ошибка связан с Кубитами, они по своей природе нестабильны и сразу забывают информацию, которую вы хотите хранить на квантовом компьютере. Под влиянием кубита в среде связь внутри квантовой системы прерывается (процесс декогеренции). Чтобы этого избежать, квантовый процессор должен быть максимально изолирован от влияния внешних факторов. Как ты можешь это сделать? – остается загадкой. Эксперты говорят, что 99% мощности такого компьютера используется для устранения неполадок, и только 1% достаточно для решения проблем. Конечно, ошибки не могут быть полностью устранены, но если вы уменьшите их до определенного уровня, квантовый компьютер может работать.
Развитие квантовых расчетов идет медленно. Перед учеными и инженерами стоят очень сложные задачи, квантовые состояния очень недолговечны и хрупки, и чтобы держать их достаточно долго, чтобы проводить вычисления, вам нужно построить саркофаги на десятки миллионов долларов, в которых температура поддерживается чуть выше абсолютного нуля и защищена от внешние воздействия. Для эффективной работы квантовых алгоритмов требовалось более одного кубита, но не менее ста, и они работали вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не хотели быть смежными и выражали свой протест резким сокращением своей жизни. Чтобы обойти это единство кубитов, ученым пришлось использовать всевозможные уловки. Однако до сих пор ученым удалось получить максимум несколько десятков кубитов для совместной работы.
На данный момент основные усилия (и более или менее значимые результаты) для всех основных игроков сосредоточены в двух направлениях:
Специализированные квантовые компьютеры, нацеленные на решение конкретной конкретной задачи, например, задач оптимизации. Примером продукта являются квантовые компьютеры D-Wave.
Универсальные квантовые компьютеры – которые способны реализовывать произвольные квантовые алгоритмы (Шора, Гровера и т. Д.). IBM, Google .
Самое главное у квантового компьютера нет проблем с масштабируемостью, которые влияют на обычные компьютеры. Для размещения трех человек в двух такси достаточно одной операции. Это потому, что квантовый компьютер вычисляет оценку всех конфигураций одновременно. С четырьмя людьми число операций остается тем же – 1. То же самое касается 100 человек. За одну операцию квантовый компьютер вычисляет все 2¹⁰⁰ ~ = 10³⁰ возможных конфигураций. Как уже упоминалось, на практике квантовый компьютер лучше запустить несколько десятков или сотен раз и выбрать лучший результат из полученных. Однако это все еще намного быстрее, чем найти решение проблемы на обычном компьютере, который повторяет один и тот же процесс миллионы миллионов раз.
Однажды квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, так же как транзисторы заменили вакуумные трубки. Однако современные технологии пока не позволяют создавать полноценные квантовые компьютеры.
Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего.
Еще больше публикаций на сайте Квантовая Психологи psykvant.ru
