Здесь, внутри этого холодильника, при температуре чуть выше абсолютного нуля, изолированный от остальной Вселенной, находится квантовый компьютер.
Квантовые компьютеры, это не суперкомпьютеры следующего поколения, это нечто сосвсем другое, их нельзя называть компьютерами в привычном понимании этого слова. В основе работы центрального процессора квантового компьютера лежат законы квантовой механики. Такой компьютер принципиально отличается от традиционных ПК, работающих на основе кремниевых чипов. Это устройство применяет для вычисления процессы квантовой природы — квантовые алгоритмы, использующие эффекты квантовой механики, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
И прежде чем говорить о существе этого инновационного устройства, нужно попытаться понять фундаментальную физику, которая движет теорию квантовых вычислений и погрузиться в другое измерение, глубокое и чуждое нашему интуитивному пониманию - субатомный мир квантовой механики.
В основе квантовой физики - концепция, называемая квантовой механикой амплитуд, по своей сути, она меняет правила вероятности и именно здесь кроется причина особой эффективности квантовых вычислений.
Классическое определение вероятности основано на понятии равновозможности исходов. В качестве вероятности выступает отношение количества исходов, благоприятствующих данному событию, к общему числу равновозможных исходов. Классическим примером является подбрасывание монетки. Может выпасть «орел», а может «решка». Поскольку сторон у монетки всего две, то вероятность выпадения «орла» составляет 1/2 или 0,5. Здесь ничто не противоречит нашему здравому смыслу.
Но здравый смысл не работает в квантовой вселенной. Здесь вероятность теряет привычный нам смысл. Квантовая частица - это волна вероятности, которая существует в черном ящике - квантовой системе, с множеством разных шансов оказаться в во многих местах.
Поэтому, в квантовом мире все события описываются вероятностным образом. Вместо классической вероятности, как частоты событий, квантовая механика использует амплитуды вероятности, и эти амплитуды имеют свойство складываться.
"В классической механике, когда мы пользуемся вероятностями, у нас нет понятия фазы, знака между двумя состояниями — просто есть величина вероятности. В квантовой механике появляется понятие знака, фазы, и вместо самой вероятности нам приходится использовать амплитуду. ... В качестве шутки: в классической физике мы знаем, что два плюс два равно четырем, а в квантовой мы понимаем, что надо учесть еще интерференционный член, который приведет к ответу восемь, потому что должно быть в два раза больше." Алексей Акимов, преподаватель МФТИ
Если мы хотим знать общую амплитуду того, что некоторое событие произойдет, мы должны сложить амплитуды всех разных способов, которыми это событие может произойти.
Но когда мы складываем амплитуды, мы видим что -то новое, а именно, что частица может достичь определенного места одним способом с положительной амплитудой, а другим - с отрицательной амплитудой.
И если это произойдет, эти две амплитуды могут компенсировать друг друга, так что общая амплитуда будет равна нулю и это означает, что событие не наступит вообще никогда.
Центральное положение квантовой механики: способ, которым вы описываете физическую систему - это набор амплитуд, а способ которым физическая система изменяется со временем - это линейное преобразование этих амплитуд.
Задача Фейнмана - универсальный квантовый симулятор — приложение квантовых компьютеров для моделирования квантовых систем
К идее использовать квантовые компьютеры для моделирования квантовых физических процессов впервые привлёк внимание выдающийся американский физик ХХ века Ричард Фейнман, хотя аналогичные идеи в 1981 году высказал Юрий Манин в своей работе «Вычислимое и невычислимое».
Фейнман в своей работе в 1982 году обратил внимание на то, что моделирование даже простейших физических систем на обычном классическом компьютере требует невероятного объёма вычислительных ресурсов, что делает задачу неразрешимой. Добавление одного электрона в молекулу усложняет решение уравнения Шрёдингера для этой молекулы более чем в два раза, что делает практически невозможным точное моделирование систем, содержащих более чем 30 электронов. На сегодняшний день даже моделирование атома лития является архисложной задачей, хотя все необходимые уравнения для нахождения волновой функции уже давно известны. Данный факт привёл Фейнмана к мысли о том, что законы квантовой механики можно использовать для ускорения вычислений. Можно ли в принципе создать вычислительный инструмент, состоящий из самих квантовых элементов, которые идеальным способом позволят исследовать тайны квантового мира? Так родилась идея квантового компьютера. Википедия
Как компьютеры могут использовать амплитуды для хранения и обработки информации?
Кубит - это основная вычислительная единица в квантовых вычислениях. Принципиальное различие между классическим и квантовым компьютером заключается в том, как хранится информация и как она обрабатывается. В классическом компьютере данные кодируются в физических состояниях классических систем. Это может быть, например, уровень напряжения в электрической схеме. Одно из этих состояний — логический ноль, другое — логическая единица. Эти состояния противоположны друг другу, их можно легко различать и сделать вывод, в каком состоянии находится единица информации, или бит. Бит — двоичное число, оно может быть 0, может быть 1, а его физической реализацией может быть что угодно, начиная от механического реле и заканчивая полупроводниковыми устройствами. Важно то, что бит может иметь только два взаимоисключающих значения.
Но кубиты состоят из субатомных частиц, поэтому они работают в соответствии с субатомной логикой. Ноль, единица, или то, что мы называем линейной комбинацией нуля и единицы - это комбинация амплитуд лежит в основе квантовых вычислений. Прежде чем вы измеряете кубит, он существует в состоянии, называемом суперпозицией.
Суперпозиция - один из фундаментальных принципов квантовой механики. В классической физике волну, описывающую музыкальный тон, можно рассматривать как несколько волн с разными частотами, которые складываются и накладываются друг на друга. Точно так же квантовое состояние в суперпозиции можно рассматривать как линейную комбинацию других отдельных квантовых состояний - волн де Бройля. Квантовая суперпозиция (когерентная суперпозиция) — это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих) состояний.
"В квантовом компьютере единицей информации является q-бит, или кубит. Кубит — это единица квантовой информации, которая физически реализуется в виде двухуровневой квантовой системы. К ней применимы все принципы квантовой теории, которые отличают ее от привычного нам мира. В первую очередь для нее верен принцип суперпозиции. Это значит, что если у нее есть два состояния, которые соответствуют логическому нулю и логической единице, то у нее существует и целое многообразие суперпозиционных состояний. Пространство состояний кубита гораздо больше и богаче, чем у классического бита.
Пространство состояний кубита удобно представлять в виде сферы, так называемой сферы Блоха. На северном полюсе сферы значение 0, на южном — 1. Но есть еще и вся остальная поверхность, которая представляет собой всевозможные суперпозиции, тогда как классический бит может быть только в двух точках — на северном полюсе и на южном."Станислав Страупе, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова
"Когда кубитов несколько, размерность пространства состояний, которое описывает эту многочастичную систему, растет очень быстро. Почему так происходит, понятно из принципа суперпозиции. Возьмем две двухуровневые системы. Если они классические, то мы можем получить четыре возможных состояния: оба нуля, оба единица, 0-1, 1-0. В квантовом случае возможны еще и все суперпозиции, или все вектора, в четырехмерном пространстве. Если взять n кубитов, то получим также все суперпозиции, но не в n-мерном пространстве, а в пространстве размерности 2n. Это важно: размерность растет очень быстро, экспоненциально. И этот быстрый рост делает квантовую систему очень сложной для моделирования на классическом компьютере.
Чтобы извлечь информацию из квантового компьютера, необходимо произвести измерения. Это приведет к тому, что суперпозиция «схлопнется», или коллапсирует. Дело в том, что напрямую взаимодействовать с квантовой системой мы не можем, только через интерфейс классических приборов. И когда с помощью приборов мы производим процесс измерения, в квантовой механике появляется вероятностность. Суперпозиции коллапсируют, и в результате мы получаем битовую строку, последовательность нулей и единиц, появляющихся с определенными вероятностями (задаваемыми квадратами модулей коэффициентов в суперпозиции)."Станислав Страупе
Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений. 30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).
Когда два или более кубита находятся в этом состоянии суперпозиции они связаны друг с другом через феномен квантовой запутанности.
Запутанность
Основная проблема считывания информации из квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом. Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.
Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.
В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например, измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.
Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.
Квантовый компьютер может решать задачи, которые не под силу обычным компьютерам. Например, чтобы увеличить мощность обычного компьютера в два раза, вам необходимо либо в два раза увеличить частоту работы процессора, либо в два раза увеличить его размер. Тогда он будет выполнять в секунду в два раза больше операций, чем раньше. Чтобы увеличить в два раза мощность квантового компьютера, состоящего, скажем, из 100 кубитов, необходимо добавить к ним всего один-единственный дополнительный кубит, то есть при добавлении одного квантового бита к квантовому компьютеру его мощность увеличивается в два раза. И такая экспоненциальная зависимость от количества кубитов, как 2n, имеет колоссальный ресурс, состоящий в том, что количество информации, которую можно закодировать и обрабатывать в таком компьютере, огромно даже для довольно небольшого количества кубитов.
Пример, который показывает - в какой области квантовые компьютеры могут преуспеть, где классические компьютеры терпят неудачу:
Суперкомпьютер может отлично справляться со сложными задачами, такими как сортировка большой базы данных пространственной структуры белков. Но ему будет трудно увидеть в этих данных тонкие закономерности, которые определяют поведение этих белков.
Белки - это длинные цепочки аминокислот, которые становятся полезными биологическими машинами, когда складываются в определенные сложные формы. Выяснение того, как будут складываться белки, - это проблема, имеющая важное значение для биологии и медицины.
Классический суперкомпьютер может попытаться определить структуру белка с помощью грубого перебора, используя свои многочисленные процессоры для проверки всех возможных способов сложения аминокислотной цепи, прежде чем он найде ответ. Но по мере того, как аминокислотные последовательности становятся длиннее и сложнее, суперкомпьютер останавливается, ему не под силу обработка таких объемов информации. Цепь из 100 аминокислот теоретически может сложиться любым из многих триллионов способов. Ни у одного компьютера нет рабочей памяти для обработки всех возможных комбинаций отдельных структур.
Квантовые алгоритмы используют новый подход к такого рода сложным проблемам - они создают многомерные пространства, в которых "высвечиваются" шаблоны, связывающие отдельные точки данных. В случае проблемы сворачивания белка такой шаблон может быть комбинацией структур, для создания которой требуется наименьшее количество энергии. Нахождение такой формы и есть решение проблемы.
Классические компьютеры не могут создавать эти вычислительные пространства, поэтому они не могут выявлять эти шаблоны. В случае белков уже существуют квантовые алгоритмы, которые могут находить шаблоны сворачивания совершенно новыми, более эффективными способами, без трудоемких процедур перебора вариантов классических компьютеров.
Спасибо за внимание!