Сообщение квантовые компьютеры кратко

Обновлено: 29.06.2024

Что такое квантовый компьютер? Вот определение этого термина, сокращенное до одного предложения:

Квантовый компьютер — это тип вычислительной машины, которая использует эффекты квантовой механики для выполнения определенных операций более эффективно, чем обычный компьютер.

В этом предложении скрыто слишком много нюансов, поэтому обратимся к простому примеру. Чтобы объяснить, что такое квантовый компьютер, давайте сначала поговорим о том, как работает обычная ЭВМ.

Как хранит информацию обычный компьютер

Как хранит информацию квантовый компьютер

Квантовый компьютер хранит данные не в битах, а в так называемых кубитах. Каждый кубит может равняться не только 0 или 1, но также 0 и 1. Как такое может быть и что именно это означает?

Давайте воспользуемся простым примером. Он может показаться немного искусственным, но все же поможет нам разобраться в принципах работы квантовых компьютеров.

Пример того, как действует квантовый компьютер

Предположим, что отношения в группе распределяются следующим образом:

Аня и Ваня — друзья;
Аня и Сережа — враги;
Ваня и Сережа — враги.

Предположим, что вам нужно распределить их таким образом по двум автомобилям, чтобы:

Максимизировать число друзей;
Минимизировать число врагов, попавших в одно и то же такси.

Итак, мы определили суть задачи. Теперь давайте подумаем, как ее решить с помощью обычного компьютера.

Решение задачи на обычном компьютере

Чтобы решить задачу на обычном, неквантовом компьютере, сначала надо определиться с тем, как хранить соответствующую информацию в битах. Давайте обозначим первое такси нулем, второе — единицей. Теперь порядок размещения можно представить с помощью трех битов. В этом случае значение 0,0,1 будет говорить о следующем:

Аня едет в такси 0;
Ваня также едет в такси 0;
Сережа едет в такси 1.

Поскольку для каждого пассажира есть два варианта, всего существует 2 * 2 * 2 = 8 способов разместить трех человек в двух машинах. Вот список всех возможных конфигураций:

С помощью трех битов можно представить любую из этих комбинаций.

Вычисление оценки для каждой конфигурации

Как с помощью обычного компьютера определить наилучшее решение? Чтобы понять это, давайте посмотрим, как проводятся расчеты. Оценка должна отражать две упомянутые выше цели:

Максимизировать число пар друзей в автомобиле;
Минимизировать количество пар врагов;

Давайте определим оценку следующим образом:

(оценка некоторого размещения) = (количество дружественных пар в автомобиле) — (число враждебных пар в автомобиле)

Предположим, что Аня, Ваня и Сережа сели в такси 1. В битах это выглядит как 111. В данной ситуации имеется только одна пара друзей — Аня и Ваня, но две враждебных пары: Аня и Сережа, Ваня и Сережа. Таким образом, общий балл этой конфигурации равен 1 — 2 = -1

Решение задачи

Теперь можно перейти к окончательному решению задачи. Чтобы определить наилучшую конфигурацию с помощью обычного компьютера, придется просчитать все варианты и выбрать тот, у которого окажется наивысший балл. Другими словами, компьютер построит таблицу вроде этой:

Как видно, имеется два правильных решения — 001 и 110. Оба набрали наибольшее количество очков (1). Эта задача довольно проста. Ее сложность стремительно возрастает по мере увеличения числа людей. С тремя пассажирами существует восемь возможных конфигураций. С четырьмя их число возрастает до 2 * 2 * 2 * 2 = 16 конфигураций. В общем случае с N пассажирами существует (2 в степени N) возможных расстановок. Если у нас всего 100 человек, необходимо просчитать:

2¹⁰⁰ ~= 10³⁰ = один миллион миллионов миллионов миллионов миллионов конфигураций.

Обычному компьютеру это не под силу.

Решение задачи на квантовом компьютере

Как решить задачу на квантовом компьютере? Чтобы разобраться, давайте вернемся к базовому случаю размещения трех человек в двух такси. Как отмечалось ранее, существует 8 возможных конфигураций:

На обычном компьютере с помощью трех битов мы могли представить только одно решение за раз, например, 001. Однако на квантовом компьютере с помощью трех кубитов мы можем одновременно представить все восемь решений.

Пока нет единой точки зрения на данный феномен. Можно рассматривать его следующим образом.

Прежде всего давайте посмотрим на первый кубит из трех. Когда он одновременно принимает значение 0 и 1, это похоже на создание двух параллельных миров (да, звучит странно, но давайте пока воздержимся от полемики).

В одном из миров кубит равен 0, в другом он равен 1. Что произойдет, если второй кубит также одновременно установить на 0 и 1? В этом случае у нас появится четыре параллельных мира. В первом мире оба кубита установлены на 0 (00). Во втором они равны 01. В третьем — 01, в четвертом — 11.

Похожим образом, если установить все три кубита на 0 и 1, возникнут восемь параллельных миров: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111.

Аналогия немного странная, однако она помогает правильно интерпретировать поведение кубитов в реальном мире. Выполняя некие вычисления на кубитах, вы на самом деле одновременно проводите их на всех восьми параллельных мирах. Таким образом, вместо того, чтобы последовательно находить каждое решение, мы можем вычислить их все сразу.

В этом конкретном примере квантовый компьютер теоретически найдет одно из лучших решений за доли секунды (001 или 110):

На самом деле, чтобы вычислить эту задачу, необходимо задать квантовому два начальных условия:

Все потенциальные решения, представленные кубитами;
Функцию, которая каждому решению присваивает некую оценку. В данном случае она подсчитывает число дружеских и вражеских пар в автомобиле.

Используя эти данные, квантовый компьютер найдет одно из лучших решений за доли секунды. В нашем случае это будет 001 или 110 с баллом, равном единице.

Теоретически квантовый компьютер способен находить одно из лучших решений во время каждого запуска задачи. Однако в реальности во время его работы возникают ошибки. Вместо лучшего решения он может найти второе, третье лучшее решение и т. д.

Эти ошибки становятся более заметными по мере возрастания сложности. Таким образом, на практике расчет одной и той же задачи на квантовом компьютере проводится десятки или сотни раз. Затем выбирается наилучший результат.

Масштабирование квантового компьютера

Даже с учетом упомянутых выше ошибок у квантового компьютера отсутствуют проблемы с масштабируемостью, от которых страдают обычные компьютеры. Чтобы разместить трех человек в двух такси, достаточно провести одну операцию. Это связано с тем, что квантовый компьютер одновременно вычисляет оценку всех конфигураций.

В случае четырех человек число операций остается прежним — 1. То же самое справедливо для 100 человек. Одной операцией квантовый компьютер вычисляет все 2¹⁰⁰ ~= 10³⁰ возможных конфигураций.

Как упоминалось ранее, на практике квантовый компьютер лучше запускать несколько десятков или сотен раз и выбирать наилучший результат из полученных. Однако это все же гораздо быстрее, чем искать решение задачи на обычном компьютере, повторяя одну и ту же операцию миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Лучшее о финансах и технологиях, а также криптовалюты, эксклюзивы и немного лайфстайла.

Что такое квантовый компьютер

Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.

Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.

Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.

В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи (так делает D-Wave) и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач (IBM, Google).

Правда, в IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ.

Юнусов рассказал, что перед отечественными разработчиками стоит задача к 2025 году построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволил бы работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

(разложения числа на простые множители) (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных) (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Чем квантовый компьютер превосходит обычный?

Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью.

Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google.

Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях.

Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.

IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.

Объясняем на лампочках и котиках, что такое квантовый компьютер.

К тому же это имеет прямое отношение к безопасности ваших данных, ведь многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их нельзя взломать за разумное время. Давайте разберемся, что это за квантовый компьютер такой и стоит ли опасаться, что киберпреступники начнут пользоваться им для взлома.

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в битах — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.

Квантовые компьютеры в жизни

Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Вы помните, что они обрабатывают информацию принципиально иначе? Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения.

И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.

Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти.

Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. Погружаться в ее суть мы не будем, потому что это действительно сложно и не очень нужно обычному пользователю. Но если вы очень хотите убедиться в этом лично, описание задачи есть в отчете Google.

А еще не все согласны с утверждением Google про 10 000 лет. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.

Квантовые компьютеры (пока) не угроза

Как видите, квантовые компьютеры до сих пор — скорее игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взломщика. Что, конечно, не значит, что в будущем они не станут ближе к жизни (и опаснее). Впрочем, эксперты в области защиты данных уже сейчас готовят на них управу. Но об этом — в следующий раз.

В последнее время тема квантового компьютера стала крайне популярной. О нем пишут в новостях , снимают фильмы и рассказывают на HBO . Но что же такое квантовый компьютер и что он может дать человечеству? Кто в мире сегодня занимается его созданием и из чего его делают? Давайте попробуем ответить на эти вопросы.

Оговоримся, что мы не будем рассматривать специфические симуляторы квантовых вычислений (D-Wave входит туда же), а будем говорить о, так называемых, gate-based квантовый компьютерах, то есть об универсальных машинах, основанных на квантовых логических операциях . Для начала давайте выясним что стоит за технологией квантовых вычислений.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры часто понимают неправильно из-за того, что в их названии есть слово "компьютер". Когда люди слышат слово "компьютер", они думают о ноутбуках или телефонах, но дело в том, что эти устройства и даже самые большие суперкомпьютеры в мире работают по одной и той же фундаментальной схеме. Однако, квантовые компьютеры имеют фундаментальные отличия и их нельзя называть компьютерами в привычном понимании этого слова.

Читайте также: