Краткое содержание
Квантовые компьютеры с каждым днем становятся все ближе к практическому использованию в различных отраслях и сферах жизни. Но чего на самом деле стремятся достичь ученые и инженеры? Когда эти компьютеры будут готовы к массовому применению?
Одним из ключевых показателей является "квантовое превосходство". Когда это превосходство будет продемонстрировано, начнется новая эра квантовых компьютеров. Но что на самом деле подразумевается под этим понятием?
Понимание квантового превосходства
По сути, квантовое превосходство следует демонстрировать относительно "классических" компьютеров, то есть тех, на которых вы сейчас читаете этот текст. Они работают на основе бинарной логики, используя простое представление — нули и единицы.
Квантовый компьютер достигает "квантового превосходства", когда он может выполнить расчет, недоступный классическому компьютеру из-за чрезмерного времени, требуемого для получения результата. Согласно теории универсальной машины Тьюринга, классический компьютер способен вычислить ответ на любую задачу, которую можно математически выразить. Однако время, необходимое для решения таких задач, может в миллионы раз превышать возраст Вселенной!
Сейчас самое время познакомиться с кратким объяснением универсальных машин Тьюринга на канале Computerphile.
На первый взгляд кажется нелогичным, что такая простая машина может эффективно вычислять любой алгоритм, но этот факт был математически обоснован людьми, которые намного умнее меня, и мне остается лишь им доверять.
Итак, суть превосходства в том, чтобы продемонстрировать, что квантовые компьютеры могут успешно решать определенные задачи, которые классические компьютеры также могут выполнить, но делают это неэффективно с практической точки зрения.
Как классические и квантовые компьютеры различаются
Почему квантовые компьютеры (в теории) могут обойти все эти вычисления и находить решения гораздо быстрее, чем классические компьютеры? Все дело в принципах работы этих различных систем.
Классический компьютер обрабатывает информацию в виде бинарного кода. Все данные в компьютере представляются в виде единиц и нулей. Из этих единиц и нулей мы можем создавать коды для манипуляции с символами. Например, восемь бит (двоичных разрядов) дают вам 256 возможных сочетаний единиц и нулей. Это означает, что вы можете представить 256 чисел, каждое из которых может обозначать что-то конкретное. Стандартный набор ASCII включает 128 символов, представленных семиразрядным двоичным кодом. Расширенный набор восьмиразрядного ASCII содержит 256 символов.
При увеличении длины бит увеличивается и количество представляемых значений экспоненциально, именно поэтому 32-разрядный компьютер может адресовать только 4 ГиБ оперативной памяти, тогда как 64-разрядный компьютер теоретически может адресовать 16 Эбайт.
Почему у нас до сих пор нет 128-битных компьютеров?
Сделайте вычисления.
Это действительно удобно, поскольку вы можете представлять эти два состояния множеством способов, например, через магнитное поле на ленте, впадины и возвышения на компакт-диске или уровни электрического заряда внутри процессора или ячеек памяти SSD.
Квантовые компьютеры принципиально отличаются от классических. Вместо двоичных разрядов, называемых битами, они используют квантовые разряды, или "кубиты". Кубит использует квантовые явления и может одновременно находиться в состоянии и единицы, и нуля. Благодаря тому, что каждый кубит находится в состоянии "суперпозиции", квантовый компьютер может одновременно вычислять все возможные ответы. Когда вы измеряете значение кубитов, они "схлопываются" в правильный ответ.
Да, и я тоже не очень понимаю, как это работает.
DOOM уже перенесен на квантовые компьютеры, и что с того?
Еще одна вещь, которая теперь работает на DOOM.
Тем не менее, исходя из особенностей работы квантовых компьютеров и уже продемонстрированных возможностей, они могут решать задачи за секунды, на которые самым быстрым классическим компьютерам в мире понадобилось бы миллионы лет и вся энергия Солнечной системы. Так почему же они все еще не достигли превосходства?
Во-первых, кубиты невероятно хрупки, и их количество нужно значительно увеличить, чтобы квантовый компьютер стал по-настоящему полезным. Существующие квантовые компьютеры имеют лишь небольшое количество кубитов и в основном служат для проверки концепции.
Главная задача, над которой работают ученые и инженеры, заключается в создании надежных кубитов, поиске способов компактного размещения их в квантовом компьютере и, возможно, в обеспечении их работы при комнатной температуре.
3 способа, которыми квантовые вычисления изменят наш мир
Как эта революционная технология изменит наш подход к работе.
Утверждения о квантовом превосходстве вызывают споры
В 2019 году Google объявила, что ее процессор Sycamore с 53 кубитами достиг квантового превосходства, решив сложную задачу за 200 секунд — задачу, которую они оценивали как такую, которую самому мощному классическому суперкомпьютеру пришлось бы решать тысячи лет. Эта задача касалась одной конкретной задачи, известной как "случайное выборочное моделирование", а не общего превосходства.
IBM, лидер в области классических и квантовых вычислений, заявила, что их классические суперкомпьютеры могут, при грамотном подходе, решить ту же задачу значительно быстрее, чем предполагали первоначальные оценки Google, что ставит под сомнение, действительно ли было достигнуто превосходство.
Интересно, что термин "превосходство" вызывает неоднозначную реакцию. Некоторые ученые считают, что он может приводить к нежелательным ассоциациям с социальными проблемами, основанными на расе или этнической принадлежности. Поэтому некоторые предпочитают использовать термин "квантовое преимущество", чтобы выразить ту же мысль, и оба термина широко используются.
Что такое постквантовая криптография?
Будет ли безопасно использовать вашу кредитную карту через 20 лет?
Что произойдет, когда мы достигнем настоящего превосходства?
Итак, что произойдет, когда квантовые компьютеры, наконец, наладят свою работу и смогут решать задачи, которые в настоящее время слишком сложны и дороги для существующих компьютеров? Вероятно, мир изменится в многих глубоких аспектах, и это с учетом того, как недавняя революция в ИИ уже изменила подход к ряду задач, таких как предсказание практически любой структуры белка.
Все понимают, что все наши текущие надежные методы шифрования станут бесполезными в одночасье. Алгоритмы шифрования работают на основе того, что их легко и быстро расшифровывать с помощью классического компьютера, но взлом может занять тысячи или миллионы лет.
Что такое шифрование и как оно работает?
Вы, вероятно, встречали термин "шифрование" в интернете.
Квантовый компьютер с достаточным количеством кубитов сможет вскрывать эти виртуальные замки так, будто их не существует. Конечно, уже разработаны методы постквантового шифрования, которые теоретически трудно взломать, даже для квантовых компьютеров. Тем не менее, большое количество данных может быть относительно быстро доступно, что вызывает очевидные опасения.
Хотя искусственный интеллект уже значительно ускорил возможности в области материаловедения и медицинских исследований, квантовые компьютеры могут ускорить эти процессы еще больше, помогая нам стремительно находить новые лекарства и химические вещества.
Что касается ИИ, добавление нескольких кубитов может значительно усилить возможности наших современных систем, позволяя им мгновенно рассматривать огромное количество вариантов.
Как минимум, квантовые компьютеры, скорее всего, окажутся отличными в логистике, что поможет нам лучше использовать энергию и ресурсы, возможно, навсегда избавив от пробок на дорогах. Вот это было бы здорово!
Если вам понравилась эта статья, подпишитесь, чтобы не пропустить еще много полезных статей!
Вы также можете читать наши материалы в:
- Telegram: https://t.me/gergenshin
- Яндекс Дзен: https://dzen.ru/gergen
- Официальный сайт: https://www-genshin.ru
