Квантовые компьютеры в разы превосходят обычные. IBM, Microsoft и Google уже внедряют их для решения узких задач в лабораториях и даже разрабатывают машины для коммерческого использования. В чем же их особенность?
Кубиты и суперпозиция, или почему обычных компьютеров уже недостаточно
Считывать, записывать, хранить и обрабатывать информацию — главное, для чего нужен обычный компьютер. Работа на нем связана с двумя важными параметрами — общей памятью и скоростью выполнения операций. Для представления информации такие машины используют биты.
Бит — единица информации, которая принимает определенное значение, 1 или 0. Определенное — ключевое слово. Мы точно знаем, в каком значении находится бит. Представьте переключатель света — он либо включен, либо выключен. Мы можем это увидеть по горящей лампочке. Так же и с битами.
Внутри компьютера это устроено так:
- на материнской плате находятся миллионы транзисторов — полупроводников, которые нужны для управления электрическим током;
- каждый из транзисторов либо закрыт (позиция 0), либо открыт (позиция 1) и пропускает ток, при этом электроны пробегают по транзистору со скоростью, близкой к скорости света;
- пока транзистор включается и выключается, компьютер может производить вычисления — любая информация представляется в виде чисел, благодаря переключению с позиции 0 на 1 и наоборот.
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. И тут важны два понятия:
1. Вероятность
Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен?» некорректный в этой области физики, ведь на него не будет ответа, правильно — «Какова вероятность, что свет включен?».
Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками.
Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание.
2. Суперпозиция
Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией.
Значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения. Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить.
Суперпозиция ускоряет работу алгоритмов. Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомпьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты.
В 1994 году Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения числа на простые множители. В теории с его помощью компьютеры смогут взломать любые пароли - машина получит доступ к любой кредитке, разложив число на два простых множителя. Шифры — это прорыв в области криптографии и одновременно большой риск. В ближайшие десятилетия, чтобы обеспечить конфиденциальность, ученым придется придумать новые методы шифрования и квантовой криптографии.
Квантовые компьютеры в России и мире
Первый работающий экспериментальный компьютер протестировали в 2001 году — им стал 7-битный образец компании IBM.
Самый мощный квантовый компьютер в России пока содержит 16 кубитов. Разработка есть на различных платформах, в том числе на ионном процессоре. С помощью машины запущен алгоритм моделирования молекулы. К 2024 году российские ученые планировали увеличить число кубитов в отечественных ЭВМ до 50-100.
А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology разработал, пожалуй, самый доступный квантовый компьютер для школ и колледжей. Его цена — $5 000, а по размеру он чуть больше обычного системного блока.
Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако.
Источник: https://reg.cloud/blog/kvantovyy-kompyuter/?yclid=2738277084321284095