ПОНЯТИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА
Тема квантового компьютера в последнее время стала очень популярной, и разговоры о прорыве в технологиях не стихают, а ведь не так давно успех исследований в области квантовых вычислений был чем-то из ряда фантастики.
Новые термины ворвались в информационный поток и теперь на слуху не меньше, чем искусственный интеллект и машинное обучение.
Хотя исследования ведутся уже не первое десятилетие, особенно плодотворным в плане разработок и богатым на события оказался прошлый год, когда IBM явила миру первый коммерческий квантовый компьютер, а Google сообщила о достижении квантового превосходства.
Так как же работает эта чудо-машина?
Не 1, не 0: как работает квантовый компьютер
Отличие квантового компьютера от классического заключается в том, что в первом случае информация хранится в состояниях квантово-механических систем, причем они могут быть разной природы.
В классических вычислениях мы обычно оперируем двоичным кодом, то есть записываем информацию в виде последовательности нулей и единиц (битов). Элементарной же единицей информации в квантовых компьютерах являются так называемые кубиты. Это какие-то квантовые системы с двумя хорошо определенными базисными состояниями — назовем их |0〉 и |1〉.
В отличие от классики, эти два состояния не ограничивают все возможные состояния квантовой системы, потому что существует принцип суперпозиции. Он утверждает, что если квантово-механическая система может находиться в каких-то состояниях, то она может находиться и в любой суперпозиции этих состояний. Геометрически для кубита пространство возможных состояний можно представить как сферу — сферу Блоха.
Все решения уже известны
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Как только мы начинаем проводить измерения, у нас происходит коллапс до двоичного кода: результаты будут бинарными, |0〉 или |1〉. Квантовый алгоритм — это все посередине между моментом инициализации начального состояния системы и измерением ее конечного состояния. В терминах пресловутого кота Шрёдингера это то, что происходит в коробке до тех пор, пока мы ее не открыли.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Как делают кубиты и в чём сложность
Чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.
В качестве физической архитектуры КК можно использовать ионы, атомы, сверхпроводники и фотоны.
Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.
Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.
С декогеренцией можно бороться разными способами. Сейчас ведущие компании, занимающиеся разработкой КК, охлаждают атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.
Сейчас квантовые компьютеры всего этого не умеют — они слишком сложные в производстве и очень нестабильные в работе. Максимум, что можно пока сделать, — запрограммировать квантовый компьютер под единственный алгоритм, чтобы получить на нём колоссальный выигрыш в производительности. Как раз для этих целей их и закупают крупнейшие компании — чтобы быстрее решать одну-две самые важные для себя задачи.
Было познавательно? Тогда приезжай к нам на смены по программированию, искусственному интеллекту и робототехнике. Там ты узнаешь еще много всего интересного!
Мы ждем именно тебя! Скорее переходи по ссылочке, чтоб не упустить возможность прикоснуться к будущему!
Летняя образовательная смена «Старт в инновации» по программированию и искусственному интеллекту
Летняя проектная смена «Старт в инновации» по программированию и робототехнике