Что такое квантовый компьютер
В самом простом понимании квантовый компьютер представляет собой устройство, которое работает на базе следующих законов и принципов квантовой механики:
- Принцип суперпозиции – фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому микрочастица может находиться во всех возможных состояниях одновременно. Примером данного закона является известный всему миру Кот Шрёдингера – мысленный эксперимент, который предложил в 1935 году один из основателей квантовой механики.
- Принцип запутанности, согласно которому состояния двух или нескольких микрочастиц взаимозависимы друг от друга. То есть смена состояния одной микрочастицы моментально вызывает изменение состояния другой независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Квантовая телепортация может служить примером действия данного закона.
- Закон Борна, который рассчитывает вероятность того, что измерение квантовой системы позволит получить какой-либо определённый результат.
- Теория вероятности – основополагающий закон квантовой механики, согласно которому все явления рассматриваются не как видимая данность, а как вероятность того, что каждое из этих явлений может произойти.
Достоинства, которыми обладают квантовые компьютеры:
- Высокий уровень параллелизма: в привычных нам персональных компьютерах бит в один момент времени может принимать одно из двух значений (0 либо 1), в квантовом компьютере кубит одновременно может являться как 0, так и 1. Благодаря этому расчёт всех возможных комбинаций решения задачи осуществляется параллельно и одномоментно на уровне физики.
- Высокий уровень масштабируемости, который достигается благодаря тому, что прирост производительности квантового компьютера при добавлении каждого последующего кубита растёт экспоненциально. Говоря простыми словами, 2-кубитный компьютер в два раза производительнее 1-кубитного, 3-кубитный производительнее уже в 8 раз, 4-кубитный мощнее уже в 16.
Квантовые компьютеры не лишены и недостатков:
- Малейшее вмешательство в действующую квантовую систему вызывает шумы и, как следствие, колебание всей системы, что неизменно приводит к ошибкам в расчётах. Важно уделять внимание дополнительному анализу и обработке полученных первичных результатов.
- Ошибки в расчётах также связаны с тем, что в основе функционирования любых квантовых процессов и явлений лежит теория вероятности, соответственно, получить точность в 100 % так же невозможно, как и получить 100 % вероятность того или иного события. Чем большую точность в расчётах вы желаете получить, тем большее число одних и тех же вычислений придётся проводить повторно огромное множество раз.
Биты и кубиты
Работа классического компьютера основана на понятии «бит». Это единица измерения информации, которая может принимать одно из двух значений: либо 0, либо 1. Разберём принцип его действия на понятном примере.
Любой компьютер оснащён транзистором – электронным компонентом, который управляет высоким током с помощью низкого. Давайте представим, что транзистор – это кран на водопроводной трубе. Если его включить – вода начнёт литься, если его выключить – вода перестанет бежать.
Только вместо воды в транзисторе электричество. Причём его включение и выключение полностью зависит от электричества. То есть система представляет собой множество кранов, соединённых между собой таким образом, что включённая вода из одного крана может включать либо выключать воду из другого.
Транзисторы в компьютере устроены таким образом, что их включение и выключение позволяет осуществлять математические вычисления.
Такие вычисления могут производиться с высокой скоростью благодаря тому, что транзисторов огромное количество (несколько миллиардов), а скорость их работы приближается к значению скорости света.
Всё, что обычный пользователь видит на экране персонального компьютера, является результатом подобных вычислений. Папки, изображения, документы – всё это представляет собой производные от простого математического сложения и вычитания, то есть включения и выключения тех самых кранов с электрическим током с высочайшей скоростью.
Транзистор – это и есть бит. Он может иметь значение 0 либо 1, то есть «выключен» либо «включен». Бит – это минимальная единица измерения информации в классическом компьютере. Бит может располагаться где угодно: в ядре процессора, на чипе оперативной памяти, на жёстком диске. Бит представляет собой некое физическое пространство, которое находится либо во включенном, либо в выключенном состоянии.
Определить состояние бита можно по наличию либо отсутствию в нём заряда электрического тока. То есть переходных состояний у бита нет: либо он включен (в нём находится заряд), либо выключен (заряд в нём отсутствует).
Квантовый компьютер в качестве единицы измерения информации использует кубиты – квантовые микрочастицы, которые помимо стандартных значений 0 и 1 могут принимать также значения между 0 и 1.
Почему делать кубиты сложно
Для создания одного рабочего кубита необходимо задействовать один атом, зафиксировать его в определённом положении, полностью защитить от влияния внешних излучений и соединить с другим таким же атомом с помощью специальной квантовой связи.
Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Для получения «квантового превосходства» над классическим компьютером, необходимо задействовать 49 кубитов. А такое число кубитов формирует крайне неустойчивую систему.
Главная сложность в функционировании квантовых систем – декогеренция. Это термодинамический процесс нарушения когерентности (взаимосвязи процессов и элементов), вызываемый в результате взаимодействия квантовой системы с окружающей средой.
То есть любое явление окружающей природы (будь то температурные колебания, радиация или что-то другое) способно создать «фазовый шум», который заставляет кубиты принимать ограниченные значения, тем самым нивелируя превосходство над обычным пользовательским компьютером. Причём такой квантовый компьютер будет работать гораздо менее производительно и очень медленно.
Одно из решений данной проблемы было предложено компанией D-Wave, которая создала систему охлаждения компьютера, которая снижает температуру атомов практически до нуля, чтобы исключить негативное влияние внешних факторов.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Моделирование сложных физических систем
Обычный пользовательский компьютер даже сегодня не способен справиться с этой задачей, потому что, как мы уже выяснили, квантовая микрочастица может принимать одномоментно два значения (0 и 1), тогда как система из двух частиц уже способна принимать 4 значения (00, 01, 10, 11) и так далее.
Таким образом, для создания квантовой системы, состоящей, например, из десяти электронов, необходимо задействовать 1024 процессора, работающих одновременно. При этом нельзя забывать о том, что смена состояния одного электрона моментально отразится на состоянии остальных (то есть вероятность у определённых комбинаций увеличится, а у некоторых, наоборот – уменьшится). Классическому процессору такая задача не под силу, так как он не может менять состояние сразу у двух битов, только у одного.
Квантовая криптография
Первый успешно функционирующий алгоритм для квантового компьютера был разработан в 1994 году учёным из США Питером Шором. В основу алгоритма была заложена способность раскладывать числа на простые множители. В 2001 году корпорация IBM представила миру программу, способную осуществлять вычисления, подобные этому: 12 = 3 х 4.
Подобные разработки делают имеющуюся сегодня систему защиты и обеспечения безопасности информационных данных абсолютно бесполезной. Самый распространённый и часто используемый сегодня для защиты данных криптографический алгоритм (RSA-алгоритм) основан на том, что простой компьютер не способен за короткое время разложить число на простые множители.
Не так сложно умножить 3 на 4, а если речь идёт об умножении одного числа с тысячей знаков на другое число с несколькими тысячами знаков? Разложить результат такого умножения, которое передаётся в виде ключа к зашифрованным данным, на простые множители обычный компьютер не способен, а квантовый с подобной задачей справится без труда за считанные секунды.
Задача поиска
В задачах поиска квантовому компьютеру нет равных. Найти нужный адрес или выявить закономерность в статистических данных – задача для него всего на пару секунд. Сет Ллойд, квантовый механик, профессор Массачусетского технологического университета, разработал алгоритм для 70-кубитного квантового компьютера, который может находить запрашиваемые последовательности в накопленной базе расшифрованных генов человечества.
Такой базы на сегодняшний день пока ещё не существует, однако данный алгоритм позволяет уже сегодня заменить такие известные поисковые системы, как Google и Yandex
Как применяют квантовые компьютеры сейчас
Сегодня всё большее число известных производителей электронно-вычислительных машин стараются перейти к разработке квантовых компьютеров. На сегодняшний день спрос на такую технику небольшой: чаще всего их покупают университеты, институты, научные и исследовательские центры и некоторые компании, которые заинтересованы в исследовании возможностей квантовых компьютеров.
По оценкам Hyperion Research, в 2020 году рынок квантовой электронно-вычислительной техники составил всего 320 миллионов долларов, однако темп его роста каждый год стремится к показателю в 25 %.
Аналитики из Boston Consulting Group прогнозируют рост рынка до 850 миллиардов долларов уже к 2040 году. Такой прогноз основан на уверенности в том, что уже в ближайшие годы будут разработаны квантовые компьютеры, подходящие для решения коммерческих и пользовательских задач. Несмотря на то, что на сегодняшний день пока не созданы даже прототипы подобных машин, инвестиции в эту область привлекаются огромные.
Сегодня учёные и инженеры работают над созданием универсальных квантовых компьютеров для задач обычных пользователей, а также узкоспециализированного квантового оборудования. Центральное место среди разработчиков подобной техники до сих пор принадлежит компании D-Wave, которая является автором квантовых компьютеров, включающих в себя 5000 кубитов.
Два года назад корпорация открыла облачный доступ для коммерческих организаций к специализированным квантовым вычислительным машинам Advantage, прекрасно справляющимся с решением сложных оптимизационных задач.
Компания IBM также не отстаёт в своих разработках. Уже сегодня она предлагает квантовые компьютеры, предназначенные для решения большого спектра задач в области энергетики и энергосбережения. Корпорация также активно занимается исследованием возможностей использования квантовых вычислений в различных научных и коммерческих областях.
Почему квантовые компьютеры изменят мир
Квантовые компьютеры могут быть очень полезны в области здравоохранения и фармацевтики. С помощью таких вычислительных машин учёные надеются решать задачи, которые неподвластны им сейчас. Исследователи известной фармацевтической компании из Швейцарии Roche считают, что квантовое моделирование способно помочь в разработке вакцин для защиты от распространённых инфекций и лекарств от таких заболеваний, как грипп и рак.
Моделирование на квантовых компьютерах способно имитировать эксперименты, которые сегодня повсеместно проводятся в лабораториях на животных.
Квантовая вычислительная техника может помочь в разработке новых катализаторов, используемых для утилизации углекислого газа и отработанных газов, что, в свою очередь, снизит выбросы вредных веществ в атмосферу и позволит получать ценные нефтехимические продукты.
Квантовое оборудование может быть полезно и в области аэродинамики. Квантовое моделирование можно применять с целью оптимизации городского транспортного трафика или потока данных в сети.
Ожидается, что квантовые электронно-вычислительные машины скоро станут незаменимыми помощниками в финансовой сфере. Вычисления, производимые на подобной технике, предполагают глубокую аналитику данных, что открывает возможности для появления новых торговых и инвестиционных возможностей.
Благодаря тому, что квантовые компьютеры позволяют значительно повысить скорость совершения транзакций и обмена информационными данными, их в своей работе уже начали тестировать многие крупные известные банки со всего мира.
Финансовое моделирование в скором времени может сыграть решающую роль в оценке инвестиционного потенциала для проектов: у компаний, которые смогут позволить использовать в своей работе квантовые вычислительные машины, появится сильнейшее преимущество над конкурирующими фирмами.
Основным источником дохода для корпораций, осуществляющих разработку и выпуск квантовых компьютеров, будут услуги по предоставлению удалённого (облачного) доступа к своим ресурсам. Многие аналитики сегодня сходятся во мнении о том, что в скором времени будут созданы пользовательские квантовые компьютеры, востребованность которых с каждым годом будет только возрастать.
Пока же на данном этапе развития многие заказчики предпочитают использовать удалённый доступ для осуществления необходимых им квантовых вычислений. Вместе с развитием техники будет расти и рынок программного обеспечения для квантовых компьютеров. Будут появляться новые профессии и специалисты, а вместе с ними и образовательные программы и курсы, которые ещё больше ускорят развитие этой отрасли.
В России планируется создание Национальной квантовой лаборатории, на базе которой будут запущены обучающие программы с целью подготовки квалифицированных специалистов в этой, пока ещё новой для нас, области. В планах данного проекта находится разработка устойчивой системы квантовых вычислений и вывод её на международный уровень, что поможет объединить кадры из различных отраслей науки и бизнеса.
В заключении хочется сказать, что решение поставленных задач поможет нам не только достигнуть высочайшего уровня развития в этой сфере, но и создаст техническую базу для решения сложнейших научных задач.
Читайте также: Новейшие тренды IT: все, что вам нужно знать
