ФАКТЫ ИЗ ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ | Квантовый компьютер – это очень необычное и нестандартное в нашем понимании устройство, даже его вид отличается от привычного для нас классического компьютера. Сегодня, чтобы установить квантовый компьютер (все его компоненты, включая охладительные установки, на которые и потребуется бо́льшая часть пространства), потребуется несколько больших комнат общей площадью 50–200 кв. м.
Квантовому компьютеру под силу то, с чем ни один «домашний» компьютер, пускай даже с суперхарактеристиками, не справится… К примеру, на решение одной и той же задачи у обычного (домашнего) компьютера уйдёт несколько тысяч лет (!), а у квантового – пара минут. Скорость работы этих машин сильно отличается неспроста, ведь принцип их работы совершенно разный.
Если говорить коротко о пользе квантовых вычислительных машин для нас, то эпоха квантовых компьютеров открывает для человечества исключительные и сверхмасштабные вычислительно-аналитические возможности, которых ещё никогда за всю историю человечества у нас не было. Но обо всём по порядку…
В декабре 2023 года IBM представила самый мощный (по крайней мере на тот момент) чип на 1000 кубитов. К сравнению: в России компания Росатом планирует построить 4 квантовых суперкомпьютера, каждый мощностью от 50 до 100 кубитов. При этом известно: чтобы компьютер был способен выполнять задачи, недоступные обычному устройству, машина должна обладать минимум 49 кубитами.
Как работает квантовый компьютер?
Все привычные для нас компьютеры (назовём их «домашними» или просто «персональными», «классическими») работают по принципу двоичной (бинарной) системы. Это значит, что любой символ кодируется комбинацией лишь из двух цифр: 0 и 1. То есть простыми словами, вся числовая и текстовая информация на наших компьютерах – это не что иное, как своеобразный шифр из нулей и единиц.
На классических компьютерах информация хранится в битах – самый меньший элемент хранения информации (это как в счёте цифра 1, из которой и создаются все остальные цифры). Бит может равняться только 0 или 1.
Система, на основе которой работают квантовые компьютеры, принципиально другая. Эти устройства функционируют по законам квантовой механики. Кстати, в этом разделе физики для современных учёных существует ещё очень много загадок, на которые нет ответов...
Система квантовых компьютеров не бинарная (двоичная), а «кубитная». Основа мельчайшей единицы квантового измерения информации здесь не бит, а квантовый бит (сокращённо – кубит), отсюда и название. Но что интересно – так это принципиальное отличие системы квантового компьютера. Здесь кубит может в один и тот же миг равняться не только нулю или единице, но и любому числу между нулём и единицей… Посмотрите на рисунок ниже, чтобы понять, как функционирует обычный и квантовый компьютер в сравнении.
Важное отличие квантового компьютера от обычного: благодаря кубитной системе информация в квантовом устройстве может представляться одновременно множеством состояний, а не только двумя числами. Что же это значит на практике?
Почему квантовый компьютер решает задачи так быстро?
Именно суперпозиция (возможность в одно и то же время представлять множество значений) квантового компьютера позволяет ему решать задачи за считаные секунды, в то время как классический (битный) компьютер потратил бы на ту же задачу несколько сотен лет или тысячелетий...
Это происходит из-за того, что обычный компьютер во время решения задачи последовательно перебирает все возможные варианты решения: одно за другим. Пока не будет проверено первое возможное решение, к проверке второго и третьего устройство просто не сможет перейти, ресурс его возможностей ограничен. Квантовый – в состоянии обрабатывать одновременно несколько (множество) различных вариантов сразу.
Примером ещё одной задачи со сверхмассивными данными для квантового компьютера может быть поиск оптимального пути для автомобиля, где используются множество различных городов – промежуточных точек. Так, кубитная система помогает выбрать из огромного массива данных самый короткий путь. Не зря одним из направлений, в котором планируется использовать квантовые вычисления, является логистика грузов и пассажиров. Это помогло бы удешевить и оптимизировать логистические цепочки.
В каких сферах можно использовать квантовые компьютеры?
Компьютеры квантовой эры предназначены для решения сверхсложных задач с огромным объёмом данных.
- Квантовое моделирование (в области изменения климата Земли, изучении космоса, социальной динамики общественных процессов и др.). Важно понимать, что квантовый анализ не предсказывает, а лишь просчитывает ходы возможных вариантов.
- Химия и фармакология. Моделируются реакции с химическими элементами без необходимости их непосредственного запуска в лабораторных условиях. Могут создаваться формулы новых материалов.
- Сфера финансови экономических показателей. Именно эта сфера при создании компьютерных задач отличается огромным числом факторов, осложняющих решение. Квантовый анализ может помочь инвестору создать оптимальный портфель, смоделировать курсы валют и стоимость акций.
- Машинное обучение в области нейросетей, создание программного кода и алгоритмов, анализ больших данных. У специалистов существует идея создания глобального квантового суперзащищённого криптографией интернета.
- Логистическиезадачи.
- Расшифровка криптографических шифров или, наоборот, защита передачи данных с помощью квантового шифрования.
Так, квантовый компьютер за секунды может расшифровать пароль, который не смог бы подобрать обычный компьютер. Оценки по времени создания такой глобальной деанонимизирующей технологии варьируются от 10 до 100 лет, но власти США уже в январе 2023 года обязали все свои государственные службы перейти на квантовое шифрование данных, что вызвало беспокойство у специалистов в сфере киберпространства... Правда, квантовые вычисления могут работать и в обратном направлении – не только РАСшифровывая, но и ЗАшифровывая данные.
Почему квантовый компьютер такой большой и занимает много места?
Для корректной работы квантового компьютера требуются особые условия, которые непросто воссоздать. Чтобы кубиты работали стабильно, процессор – «сердце машины», нужно оградить от внешней среды, а этому служит вакуум внутри установки. А ещё важной составляющей является возможность максимального охлаждения системы, так как затраты энергии компьютера во время работы значительные.
Установку охлаждают практически до абсолютного нуля по шкале Кельвинов, что равняется температуре -273 °С (самая низкая температура во всей Вселенной (!). Если интересно, то чуть подробнее о том, сколько это – в статье «Учёные создали ультрахолодные молекулы».
Несмотря на то что полностью коммерческих квантовых компьютеров ещё не создано, так как это очень дорогие установки (около 10-50 млн долларов), в скором времени компании смогут монетизировать возможности своих квантовых компьютеров. Планируется создание облачных квантовых вычислительных процессов, к которым доступ будут предоставлять их владельцы. Всего в мире не так много организаций, кто может похвастаться владением квантового суперкомпьютера. Как правило, это IT-корпорации (американские компании Intel, IBM, Google, Microsoft, китайская Alibaba, французский стартап Quandela) и некоторые университеты, например, MIT в США – один из лучших университетов мира.
Услуга облачных квантовых вычислений может обойтись компаниям, купившим её, в несколько миллионов долларов, но оно того сто́ит. Так, готовые модели и расчёты, подготовленные квантовым компьютером, могут принести корпорациям в будущем доходы в десятки миллиардов долларов.
Сегодня создаются суперкомпьютеры двух видов: для универсальных и конкретных задач. А ведь когда-то (1998 год) всё начиналось всего лишь с 2-кубитного опытного образца. И вот, спустя 20 лет технология постепенно становится нашей повседневностью…
Лайки, комментарии, подписка - приветствуется!
Читайте далее: Опыт Германии - перерабатывайте окурки с пользой для общества
#квантовый #ИТ #IT #компьютер #вычисления #кубиты