Мы все больше и больше слышим о квантовом компьютере, но не всегда до конца понимаем, что же это такое.
Пришло время рассмотреть:
- Почему нам действительно нужны квантовые компьютеры;
- ... И почему они немного пугают.
- Как работают квантовые алгоритмы ;
- Основы физики, чтобы понять, как они работают;
- И ответы на такие важные вопросы, как: у нас всех скоро будет квантовый компьютер на рабочем столе?
Прежде чем начать, вы должны быть уверены, что понимаете основы работы обычного компьютера.
Назначение не квантового компьютера
Даже если создается впечатление, что компьютер делает много разнообразных вещей, на самом деле у него есть только одна миссия: он обрабатывает информацию (отсюда и аббревиатура «ИТ»).
Ваш компьютер хранит информацию на жестком диске, обрабатывает информацию с помощью своего процессора (например, страницу, которую вы читаете, или фильм, который вы смотрите), и превращает эту информацию в звук (через динамики) или в картинки (на вашем экране).
Информация, которой манипулирует компьютер представляет собой двоичный код в формате 0 или 1. Другими словами, компьютер мыслит в двоичном формате. Таким образом, память компьютера состоит из миллиардов блоков, содержащих либо 0, либо 1. Такой блок называется битом . Для обработки битов компьютер наполнен небольшими электронными компонентами, которые работают вместе и называются «логическими элементами».
Компьютер не может решить все проблемы
У нас также сложилось впечатление, что компьютеры могут решить все проблемы в мире, потому что они мощные и эффективные. И это неправильно.
Исследователи часто сталкиваются с проблемами, которые их компьютеры не могут решить. Поэтому они ищут способы сделать свои компьютеры более мощными . Чтобы сделать компьютер более мощным , вам необходимо:
- увеличить память ( для хранения дополнительной информации ).
- увеличить количество транзисторов, которые у него есть ( для обработки дополнительной информации ).
К сожалению, наступает момент, когда добавления дополнительной памяти и процессора недостаточно, чтобы сделать компьютер удовлетворительным.
Но даже лучшие суперкомпьютеры (компьютеры, используемые исследователями) могут быть перегружены некоторыми слишком сложными проблемами, такими как проблема коммивояжера. Обычные компьютеры не созданы для решения сложных проблем.
Суперкомпьютеры, какими бы мощными они ни были имеют определенные проблемами. Отсюда возникла идея квантового компьютера, который бы работал бы на ином принципе . Первые теории квантовых вычислений родились в 80-х годах и были основаны на удивительных свойствах квантовой физики.
Два физических явления в основе квантовых вычислений
Механизм работы квантового компьютера раскрыт в квантовой физике. Давайте рассмотрим эти два основных понятия как можно проще.
1. Квантовая суперпозиция
В начале 20-го века физики поняли, что материя ведет себя странно в бесконечно малом. Например, частица бесконечно малого может находиться в неопределенном состоянии перед любым измерением.
Можно провести аналогию с лотерейным билетом: лотерейный билет является либо выигрышным, либо проигрышным. Как только мы видим результат розыгрыша по телевизору, у нас есть ответ. Но до жеребьевки этот билет не был ни победителем, ни проигравшим. У него просто была определенная вероятность быть победителем и определенная вероятность быть проигравшим.
В квантовом мире все характеристики частиц могут быть подвержены этой неопределенности: например, положение квантовой частицы является неопределенным: она не находится в точке A или точке B, но имеет только вероятность d быть здесь или там во время измерения. Перед измерением частица не находится ни в точке A, ни в точке B. С другой стороны, после измерения состояние частицы четко определено: оно находится в точке A или в точке B.
Эта неопределенность является идеей, которая была абсолютно новаторской для физиков начала двадцатого века. Действительно, в классической физике состояние объекта всегда определяется.
Возьмите пример броска монеты и представьте, что вы подбрасываете монету в воздух. Прежде чем посмотреть на результат, вы знаете, что есть 50% -ная вероятность того, что монета упадет реверсом вверх, и 50% -ная вероятность того, что монета упадет аверсом. Прежде чем проводить измерение (то есть смотреть на монету), вы не знаете, каково её состояние, но оно четко определено : либо аверс, либо реверс.
Когда вы смотрите на что-либо, его состояние не изменится.
Если бы это что-то было квантовым, оно было бы иным: перед просмотром оно имело бы неопределенное состояние, и именно эта мера поместила бы его либо в одно состояние, либо в другое.
Странно, правда?
Попытка объяснить квантовую физику повседневными объектами ставит большие проблемы, именно это пыталось заставить Шредингера понять его знаменитый опыт работы с котом Шредингера (который вы должны обязательно открыть, чтобы лучше понять).
2. Квантовая запутанность
Еще одно удивительное свойство квантовой физики - запутанность . Мы можем связать два априорных независимых квантовых объекта: например, мы можем заставить их находиться в противоположных состояниях во время измерения.
Чтобы наивно это проиллюстрировать, представьте две лампочки, каждая в двух разных домах. Путем их взаимосвязи (запутанности) стало бы возможным узнать состояние лампочки (включено или выключено), просто наблюдая за второй, потому что обе были бы связаны (запутаны).
Вернемся к физике. Некоторые микроскопические частицы имеют свойство, называемое спином. Что это такое сейчас не важно (но если вам интересно, вот страница вики ). Если необходимо, подумайте об этом: вас, среди прочего, характеризует цвет ваших волос . Этот цвет может быть «шатен», «рыжий», «светлый». Одним словом, это одна из ваших характеристик. Частица характеризуется своим «вращением», что бы это ни было.
Все, что вам нужно знать, это то, что если частица вращается, она может вращаться только вверх или вниз . Теперь представьте следующий эксперимент:
Мы можем измерять вращение первой частицы сотни раз: если это вращение «вверх», то вращение, измеренное для второй частицы , всегда будет его противоположностью («вниз»). И наоборот.
Как две частицы, находящиеся на расстоянии нескольких километров друг от друга, могут «договориться», передавая информацию друг другу , чтобы они всегда находились в состоянии, противоположном друг другу?
... Физики недоумевают, поскольку теория относительности учит, что никакая информация не может быть передана с большей скоростью , чем скорость света (то есть ЭПР - парадокс).
Чтобы разрешить этот парадокс, мы должны принять тот факт, что две частицы, несмотря на их пространственное разделение в несколько километров, продолжали образовывать единую физическую систему. Фактически, между двумя частицами не было обмена информацией просто потому, что две частицы образуют не две независимые системы, а одну. Поэтому говорят о квантовой запутанности.
Мы можем запутать три частицы, и намного больше. Важно помнить, что в квантовой физике мы можем связать несколько систем, которые кажутся независимыми и отдаленными.
Если вы хотите (и должны) лучше понять этот поразительный феномен, ознакомьтесь со статьей по теории скрытых параметров.
Теперь, когда изложены основы квантовой физики, мы сможем поговорить о квантовом компьютере.
Каков принцип квантового компьютера?
Основа всего: кубит
Вместо использования битов, которые могут принимать только значение 0 или 1, квантовый компьютер использует квантовые биты или кубиты, которые принимают не значение 0 или 1, а совмещают 0 и 1.
Представьте себе простую задачу: используйте счетчик ниже, чтобы показать все числа, которые существуют между 0 и 99999:
У вас не будет выбора, кроме как перебрать все комбинации, чтобы преуспеть в этом испытании:
Именно так работает обычный компьютер для подсчета. Он должен обрабатывать каждую информацию, каждый «номер» в нашем примере, один за другим.
Квантовый компьютер будет рассуждать иначе. Вот как бы отреагировал квантовый компьютер, если бы я бросил ему вызов:
Принцип квантовой суперпозиции, который мы видели выше. Поле счетчика, другими словами 1 бит, больше не представляет отдельное значение, как обычно, а перекрывает несколько значений - 9 в нашем примере.
Пусть этот пример счетчика не вводит вас в заблуждение: в квантовых вычислениях компьютер продолжает работать с 0 и 1. Квантовый компьютер не накладывает 9 значений, как счетчик выше, а только 2 значения (0 и 1).
Это означает, что квантовый компьютер может вычислять намного быстрее, чем обычный компьютер, поскольку он может обрабатывать все возможные состояния одновременно (по аналогии со счетчиком: вместо этого он считал 1 раз счет в 99999 раз).
4-битный квантовый компьютер будет вычислять в 16 раз быстрее, чем обычный 4-битный компьютер, и так далее. Мы удваиваем мощность квантового компьютера каждый раз, когда добавляем кубит. Это не относится к обычному компьютеру.
Как работает квантовый алгоритм?
Одним из особенно многообещающих квантовых алгоритмов в квантовых вычислениях является алгоритм Гровера, который позволяет найти элемент в списке: номер телефона, связанный с именем, штрих-код, связанный с продуктом, или любой элемент в большом наборе данных.
Представьте, что у вас есть магазин красок, который продает восемь различных продуктов, каждый со штрих-кодом:
- Красная краска: 000
- Желтая краска : 001
- Синяя краска: 010
- Зеленая: 011, розовая: 100, пурпурная: 101, коричневая: 110, черная: 111
Мы пытаемся выяснить, какой цвет связан с тем или иным штрих-кодом в автоматическом режиме. Это кажется абсурдным, потому что каталог красок очень мал, но представьте себе ту же ситуацию с 5000 цветами и 5000 штрих-кодами!
Поскольку простые решения не привлекают вас, вы решаете проблему с привлечением квантовой физики. Вы создаете квантовый компьютер с тремя кубитами, которые перед любым измерением находятся в суперпозиции восьми различных состояний, каждое из которых соответствует рисунку. Другими словами:
Вы также создаете схему квантовых врат, которая имеет характеристику «увеличения» коэффициента, связанного с искомой краской.
Давайте посмотрим задачу на рисунке:
Как только компьютер запрограммирован, мы отправляем ему нейтральный кубит с равными коэффициентами .
После того, сделав несколько витков в цепи компьютера, это будет кубит в виде наложенных друг на друга состояний, но с коэффициентом, связанным с желаемым цветом краски гораздо выше, чем у других. Когда мы проводим измерение, мы теоретически можем попасть в любое состояние, но поскольку коэффициент, связанный с этим состоянием, отражает вероятность попадания в это состояние во время измерения, мы почти наверняка падаем на хорошее состояние.
Таким образом, квантовые алгоритмы часто вероятностные: они не возвращают правильный ответ наверняка, но мы можем гарантировать , что они дают ответ с вероятностью очень близкой к 1.
Квантовый компьютер имеет пределы
Уменьшение волнового пакета
Кубиты могут содержать гораздо больше информации, чем обычные биты, с коэффициентами, которые вступают в игру для кубит. Проблема в том, что очень трудно (не сказать невозможно) получить доступ к этим коэффициентам.
Итак, квантовый компьютер будет выполнять свои вычисления, используя специфику квантовой физики (суперпозиция, запутывание). Это позволяет выполнять сложные вычисления.
Но когда мы читаем результат квантового вычисления, возникает то, что называется квантовым коллапсом. Другими словами, квантовая система теряет свой квантовый характер при проведении измерений. Использовать аналогию лотерейного билета: билет становится либо победителем, либо проигравшим, когда обнаружен результат. Он теряет способность быть тем и другим.
В частности, квантовую емкость n кубит «записывают» 2 в степени n. Коэффициенты исчезают, и кубиты становятся классическими битами, которые могут стоить только 0 или 1. Таким образом, результат операции, выполняемой квантовым калькулятором, должен содержать только n битов. Использование коэффициентов служит только в качестве посредника для расчетов.
Теорема о клонировании кубитов
Квантовый компьютер имеет и другие ограничения
Классическая операция в IT - копирование. Когда вы копируете файл со своего компьютера на USB-ключ, компьютер считывает последовательность битов, соответствующих файлу на вашем жестком диске, измеряя их значение (0 или 1), и записывает на USB-ключ последовательность из 0 и 1 строго идентично .
Мы не можем сделать то же самое в квантовых вычислениях, где копирование кубитов невозможно. Почему? Просто потому, что одним из этапов копирования является измерение, а выполнение измерения на кубите для определения его состояния разрушит его квантовую природу (квантовую декогеренцию). Мы теряем информацию, содержащуюся в исходном кубите, который становится классическим битом, и копия терпит неудачу: это принцип не клонирования кубитов.
Четыре вопроса о квантовом компьютере
Как выглядит кубит физически
На USB-ключе информация записывается в полупроводниках (небольших электронных компонентах); на компакт-диске биты имеют форму отверстий, прожженных на диске.
А как это происходит у кубитов? Поскольку обрабатываемая информация имеет квантовый характер, используемая среда должна быть микроскопической. До этого ученые использовали атомные ядра, ионы, электроны или даже простые фотоны.
Как тогда закодировать информацию в таком формате? Приведем в пример электрон, который может вращаться вверх или вниз. Обратите внимание, что электрон также может находиться в состоянии, наложенном на два состояния. Мы решаем закодировать 0 с вращением вниз и 1 с вращением вверх .
Что такое квантовые врата
Квантовый вентиль позволяет изменять состояние кубита, точно так же, как классический логический вентиль изменяет состояние бита. Чтобы изменить состояние кубита, мы часто используем электромагнитные волны, посылаемые с определенной частотой.
Почему на наших компьютерах еще нет кубитов
На бумаге все идет хорошо, но вы должны понимать, что реализация квантовых схем очень своеобразна.
Прежде всего, кубиты должны быть стабильными, то есть окружающая их среда не меняет своего значения случайно (например, при передаче тепловой энергии). Для этого квантовые компьютеры часто охлаждают до температур, очень близких к абсолютному нулю (-273,15 °!). Таким образом, кубиты должны быть почти полностью изолированы от внешнего мира.
Обеспечение того, чтобы кубиты сохраняли свои квантовые свойства, несмотря на то, что ими манипулируют через квантовые врата, очень сложно: именно над этими вопросами сейчас работают ученые . Нобелевская премия по физике 2012 года была присуждена исследователям, которые успешно измерили квантовые объекты, не разрушая их, открывая новые возможности для квантовых вычислений.
Мечта исследователей - создать универсальный квантовый компьютер , на котором мог бы работать любой алгоритм. В то же время, некоторые компании, такие как канадская D-Wave или Google, концентрируются на более точных целях, производя прототипы квантовых компьютеров, предназначенных для решения только одного типа проблем. Недавно, например, IBM представила общественности квантовый компьютер с 5 кубитами.
Заменят ли квантовые компьютеры наши обычные компьютеры
Квантовые компьютеры настолько сложны, что не предназначены для широкой публики . Они были бы полезны только для очень специфических приложений, где обычные компьютеры бессильны. Чтобы посмотреть фильм или выйти в онлайн, классических бит более чем достаточно.
Почему квантовый компьютер пугает
Основным практическим применением квантового компьютера, которое мы рассматриваем сегодня, является криптография .
Наиболее используемая сегодня система кодирования для обеспечения безопасности передачи наших электронных писем, банковских транзакций и т. д. Это система RSA. RSA-шифрование использует очень большие простые числа для защиты данных. Другими словами, ваша навигация обеспечивается очень сложными математическими вычислениями.
Чтобы декодировать закодированное сообщение RSA, хакер должен использовать основной алгоритм факторизации . Сила RSA заключается в том, что эти алгоритмы работают довольно медленно, и даже суперкомпьютеры не могут декодировать за разумное время.
Однако существует квантовый алгоритм (алгоритм Шора ), который выполняет разложение на простые числа намного быстрее, чем любой обычный алгоритм.
Если бы однажды смогли реализовать алгоритм Шора на квантовом компьютере, который был бы достаточно эффективным, шифрование RSA больше не было бы безопасным. Это было бы одним из самых больших потрясений, которые спровоцировала квантовая физика (и она уже потрясла поколение физиков).
Документы, опубликованные Эдвардом Сноуненом, показывают, что АНБ работает над проектами по квантовым вычислениям в рамках проекта, финансируемого почти на 80 миллионов долларов: «проникнуть в сложные цели»
К счастью, квантовая теория, возможно, могла исправить созданное ею зло благодаря квантовой криптографии. Эта ветвь квантовой физики использует удивительные свойства бесконечно малых для безопасной передачи сообщений.
Квантовые вычисления пока находятся в зачаточном состоянии, революция еще впереди.
Как приобрести компьютер с помощью конфигуратора
Исторический обзор вычислительных средств. Часть 1
Исторический обзор вычислительных средств. Часть 2
Исторический обзор вычислительных средств. Окончание
Четыре этапа эволюции вычислительных систем
Первая промышленная система управления базами данных
PDP-1: первый миникомпьютер от DEC