Использование квантовых компьютеров сулит прорыв в большинстве научных областей. Они смогут решить те задачи, с которыми самые мощные суперкомпьютеры не могут справиться. Появление технологий, позволяющих нам манипулировать и управлять состоянием отдельных квантовых частиц, ставит нас на порог второй квантовой революции. А квантовый компьютер – локомотив этой революции.
Состояние «может быть»
Квантовый компьютер – это такая же вычислительная машина, что и обычный компьютер, только улучшенная. Она обгоняет «классику» за счет миниатюризации чипов и параллелизма вычислений. В основу его работы заложены законы квантовой механики, как то – принцип суперпозиции и спутанность. И все эти процессы могут сломать психику обывателю. Ведь многие процессы находятся за гранью объяснимого. Но инженеры пытаются приоткрывать завесу непонятного.
Единицей информации в двоичной системе обычного компьютера служат биты, принимающие только два значения 0 и 1. Всю компьютерную магию творят логические операции с ними, работаете ли вы, смотрите ли видео, или слушаете аудио. Бит, по сути, микроскопический транзистор, на редкость примитивно устроенный. Он словно лампочка включается и выключается, но настолько быстро, что, скооперировавшись все вместе биты, дают возможность практически со скоростью света производить сложные вычисления.
У квантовых компьютеров вместо битов кубиты, по сути своей квантовые частицы (фотоны, протоны). Они могут равняться как значениям 0 и 1, так и значениям между ними. Так, за один такт квантовый процессор выполняет несоизмеримо больше операций. Согласно принципу суперпозиции, кубиты существуют одновременно в нескольких состояниях. Если транзистор на аппаратном уровне (он же стандартный бит) принимал значения 0 или 1, другими словами «да» или «нет», то кубит может находиться в состоянии «может быть».
Запутанные кубиты
По умолчанию все кубиты и находятся в этом состоянии. Оно измеряется вероятностью, количество значений которой может быть гигантским. Результатом такого вероятностного принципа является распределение вероятностей возможных ответов. Лучшим решением является самый вероятный ответ. Это позволяет не перебирать последовательно все возможные комбинации, как это делает обычный компьютер при вычислениях, а производить их моментально.
Квантовый компьютер за секунду выполнит ту задачу, на которую обычный бы потратил не меньше недели. Квантовые частицы в суперпозиции комбинируются во всех возможных состояниях, пока их не начнут наблюдать и измерять. Такая запутанность образует единую систему из кубитов, где они влияют друг на друга. Пока одна частица находится в одном состоянии, то другая, связанная с ней, повторяет ее состояние вне зависимости от расстояния между ними.
Так что достаточно измерить состояние только одного, чтобы сделать вывод об остальных. Чем больше запутанных кубитов, тем больше и быстрее квантовый компьютер обрабатывает информации. При самом принципе суперпозиции, позволяющей базовой единице существовать в нескольких состояниях одновременно, квантовый компьютер способен одновременно обрабатывать и хранить гораздо больше информации, чем любой другой компьютер.
Алгоритмы и вентили
Это пригодится при обработке огромных объемов климатологических, фармацевтических и финансовых данных. Процесс выполнения квантовым компьютером логических операций базируется на вентиле. Из кубитов собирают однокубитные и двухкубитные квантовые вентили. Есть и наборы универсальных вентилей, производящих любые квантовые вычисления.
Со стандартным софтом этот компьютер тоже может работать. Достаточно добавить приложение и операционку. Работу квантовых компьютеров задают квантовые алгоритмы. Из них наиболее известны алгоритмы Шора, раскладывающие числа на простые множители, Дойча-Йожи, отвечающие на вопрос, сбалансированная или постоянная ли функция, и алгоритмы Гровера, решающие задачи перебора и быстро ищущие в неупорядоченной базе данных.
❗Участившиеся случаи ограничения каналов вынудили нас заняться поиском альтернативных площадок. Канал про Космос мы уже перенесли в приложение SFERA. А скоро в SFERA появится и сервис для статей. Скачать мобильное приложение SFERA:
В физической реализации квантовые кубиты подразделяются на ионные ловушки, зарядовые, сверхпроводниковые, квантовые точки и так далее. Современные технологии позволяют создать много кубитов, но сложно удержать такую систему в устойчивом положении. При взаимодействии с окружением, кубиты, впрочем, как и все квантовые системы, легко теряют заданное им состояние.
Поляритонный компьютер будущего
Так в вычислениях растет количество ошибок, поэтому возникает потребность оградить систему от любого шума на фоне. Например, полупродниковые системы охлаждают при помощи сверхтекучих жидкостей до температуры, близкой к -273,1°C (абсолютный ноль).
Сверхпроводники из-за своей хорошей масштабированности долго считались самым перспективным направлением. Они стабильны во времени, контроле параметров, относительно легки в управлении. Однако сейчас внимание обратили на альтернативные квантовые платформы. Ионы демонстрируют высочайшие показатели точности операций и стабильности.
Преимущество фотонов в том, что они маленькие, фотонный процессор может работать и при комнатных температурах. Развиваются и совершенно новые концепции. Так, российский Сколтех изучает поляритоны – квазичастицы, которые сочетают свойство вещества и света. В перспективе поляритонный квантовый компьютер будет проще и дешевле изготовить, и он также сможет работать при комнатной температуре.
Чтобы не потерять нас, подпишитесь на telegram-канал, который мы ведём для проекта SFERA. Срочные новости будут в закреплённых сообщениях.
❗️ Ставьте 👍 и подписывайтесь на наш канал!
Читайте также:
